Heikki Metsäperä Tuomas Kultala PLASMA- JA LASERHITSAUKSEN VERTAILU ULTRALUJAN RAKENNETERÄKSEN HITSAUKSESSA Heikki Metsäperä Tuomas Kultala

Johdanto Työn tavoitteena on tutkia plasma- ja laserhitsausmenetelmiä Vertailla niiden soveltuvuutta karkaistun ultralujan rakenneteräksen hitsaukseen Tutkia menetelmien sopivuutta käytännön sovelluksiin

Yleistä plasmahitsauksesta Plasmahitsaus on erikoishitsausmenetelmäksi luokiteltu kaasukaarihitsausprosessi Plasmakaari kuroutuu plasmasuuttimessa Energiatiheys kasvaa Hyvä tunkeuma Kahdenlaista kaasuvirtausta Plasmakaasu Suojakaasu

Plasmahitsauksen jaottelu toimintaperiaatteen ja hitsausvirran mukaan Sulattava plasmahitsaus Muistuttaa huomattavasti TIG-hitsausta Lävistävä plasmahitsaus Ns. avaimenreikähitsaus Ainoa kaarihitsausmenetelmä, jolla mahdollinen Käytettävän hitsausvirran ja aineenpaksuuksien perusteella plasmahitsaus voidaan jakaa kolmeen ryhmään

Plasmahitsauksen edut ja haitat Pieni lämmöntuonti verrattuna muihin kaasukaarihitsausprosesseihin Riittävän korkea energiatiheys mahdollistamaan lävistävän hitsauksen Korkealaatuinen hitsi ja roiskeeton prosessi Pienet muodonmuutokset Kohtuullinen hitsausnopeus Haitat Herkkyys ja säätämisen vaikeus kahden käytettävän kaasun takia Suojakaasun alttius vedolle Railopinnoilta vaadittava kohtuullinen tarkkuus ja puhtaus

Yleistä laserhitsauksesta Laserhitsaus perustuu valon infrapuna-aaltoalueen käyttöön, jossa resonaattorissa tuotettu lasersäde kohdistetaan tietyn polttovälin päähän polttopisteeseen, jossa hitsausprosessi tapahtuu. Merkittävin ero menetelmien välillä syntyy käytettävien aallonpituuden perusteella Käytetyin lasertyyppi on hiilidioksidilaser jota voidaan ohjata paikasta toiseen peilien avulla Hiilidioksidilaserin tehoalue on 200W - 60kW Nd:YAG-laseri eroaa hiilidioksidi laserista siten että sen voi ohjata kuitua pitkin työ kohteeseen. Joka mahdollistaa laserin käytön robotti-hitsauksessa Nd:YAG-laserin tehoalue on 500W - 5kW

Laserhitsauksen periaate

Laserhitsauksen edut ja haitat Automatisointi ja siitä seuraava toistettavuus Tarkkuus Suuri tehotiheys Alhainen lämmöntuonti ja kapea polttopiste Kapea hitsi ja muutosvyöhyke Suuri hitsausnopeus Tehotiheydestä johtuva suuri tunkeuma, johon vaikuttaa käytettävä teho Pieni lämpövaikutus ja siitä seuraavat muodonmuutokset Nopea jäähtymisaika Haitat Liitoksen ilmaraon oltava kapea Railopintojen on oltava tasaisia ja puhtaita (koneistettuja) Kiinnittimien tarpeellisuus Laitteiston hinta Absorptiosta johtuva huono hyötysuhde

Tutkittava teräs Valittiin Ruukki OY:ltä tarkoitusta vastaava ultraluja rakenneteräs Optim 900 QC Mekaaniset ja kemialliset ominaisuudet:

Yleistä Optim 900 QC Rakenneteräksestä Optim 900 QC on Ruukin ultralujan Optim rakenneteräsperheen lujuusominaisuuksiltaan alhaisin terästuote. Tarjoaa samanaikaisesti korkeaa lujuutta, hyvää konepajakäsittelyä ja kohtuullista kulumisenkestoa. Tunnus Q (quenching] tarkoittaa että teräs on karkaistu ja C (cold formable) että se soveltuu kylmämuokattavaksi

Materiaalin hitsaus Kohtuullinen hitsattavuus lujuuteen nähden Lämmöntuonti pidettävä alhaisena Herkkä vedyn vaikutukselle Noudatettava yleisiä lujien terästen hitsausohjeita ja valmistajan suosituksia

Lämmöntuonti ja jäähtymisaika Lämmöntuonnilla tarkoitetaan hitsauksessa syntyvää lämpöä, joka siirtyy kappaleeseen. Yksikkönä käytetään kJ/mm Hyvä ja luja hitsisauma saadaan kun Lämmöntuonti on pientä ja keskitettyä Jäähtymisaika mahdollisimman lyhyt Ohjeellinen jäähtymisaika 800 °C:sta 500 °C:een ei saa ylittää 4 sekuntia Pehmenemistä syntyy enemmän ja laajemmalla alueella, joka aiheuttaa kovuuden ja lujuuden laskua

Hitsausmenetelmien valinta Ainoastaan plasmahitsaus lävistävällä valokaarella soveltuu ainepaksuuden osalta käytettäväksi plasmahitsausmenetelmistä. Laserhitsausmenetelmistä valitaan käytettäväksi CO2-laserhitsaus, koska se on yleisimmin käytetty menetelmä ja sopivuudeltaan paras Optim 900 QC teräksen hitsaukseen. Kummassakin hitsausmenetelmässä on kyse ns. avaimenreikä eli keyhole hitsauksesta.

Menetelmien pisteytys Pisteytetään valitut hitsausmenetelmät hitsaukseen vaikuttavien ominaisuuksien mukaan Lämpövaikutus Railovaatimukset Hitsin laatu Jäähtymisaika Toistettavuus Herkkyys

Pisteet Laserhitsaus soveltuu paremmin Optim 900 QC:n hitsaukseen

Päätelmät Laserhitsaus soveltuu erinomaisesti ultralujien rakenneterästen hitsaukseen Plasmahitsaus soveltuu myös hyvin käytettäväksi Optim 900 QC teräksen hitsaukseen mutta se häviää laserhitsaukselle lämpövaikutuksiltaan.

Käytännön sovellukset Optim 900 QC teräs soveltuu käytettäväksi käytännön sovelluksiin, jossa vaaditaan korkeaa lujuutta ja samalla rakenteiden keveyttä. Yksi tällainen käyttökohde on nostolavalaitteistot. Markkinajohtaja Bronto OY AB valmistamien laitteistojen suunnittelun lähtökohtana on ollut laitteiden paino-optimointi

Jatkokehitysmahdollisuudet Jatkossa olisi syytä tutkia hybridihitsausmenetelmien käyttöä ultralujien rakenneterästen hitsauksessa, jolloin voitaisiin päästä entistä parempaan hitsaustulokseen Käyttöä rajoittaa vaan hitsauslisäaineiden lujuusominaisuudet, joiden pitää olla korkeita, johtuen teräksen suuresta lujuudesta