PLASMA- JA LASERHITSAUKSEN VERTAILU ULTRALUJAN RAKENNETERÄKSEN HITSAUKSESSA

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

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

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

4. 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

5. Plasmahitsauksen edut ja haitat • Edut • 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

6. 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

7. Laserhitsauksen periaate

8. Laserhitsauksen edut ja haitat • Edut • 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

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

10. 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

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

12. 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

13. 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.

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

15. Pisteet • Laserhitsaus soveltuu paremmin Optim 900 QC:n hitsaukseen

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

17. 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

18. 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