Säde-, hybridi- ja kitkahitsauksen laatukysymykset
Hitsauksen laatu –päivätTurku, 31.10 – 1.11.2018
Mika Sirén, VTT Oy
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 1
Sisältö
1. Kaari- ja sädehitsaus, laserhybridihitsaus
a. Sulahitsien laatuvaatimukset
b. Säde- ja laserhybridihitsaus
c. Hitsausvirheet: Pintavirheet, Sisäiset hitsausvirheet, Hitsausliitokseen
kohdistuvat virheet, Useat samassa poikkileikkauksessa esiintyvät virheet
2. Kitkahitsaus pyörivällä työkalulla, Friction Stir Welding, FSW
a. FSW-standardit ja -hitsausohje
b. FSW-hitsausvirheet: pinta ja juuri, hitsausprosessi, hooking, sisäiset
virheet, ”kauhugalleria”
3. Yhteenveto
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 2
Kaari- ja sädehitsaus, laserhybridihitsaus
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 3
Sulahitsien laatuvaatimukset
Mitkä ovat merkittävimmät erot sulahitsausmenetelmien välillä?
Vertailu vain teräksen hitsauksen pohjalta
Alumiinilla erot samansuuntaisia?
• SFS-EN ISO 5817 Hitsaus. Teräksen, nikkelin, titaanin ja niiden seosten
sulahitsaus (paitsi sädehitsaus). Hitsiluokat.
Welding. Fusion-welded joints in steel, nickel, titanium and their alloys (beam
welding excluded). Quality levels for imperfections (ISO 5817:2014)
• SFS-EN ISO 12932. Welding. Laser-arc hybrid welding of steels, nickel and
nickel alloys. Quality levels for imperfections (ISO 12932:2013)
• SFS-EN ISO 13919-1 Welding. Electron and laser beam welded joints.
Guidance on quality levels for imperfections. Part 1: Steel (ISO 13919-1:1996)31.10.2018 VTT – beyond the obvious 4
Säde- ja laserhybridihitsaus
Sädehitseille (laser- ja elektronisuihkuhitsaus) kaksi standardia:
• Sekä teräksen että alumiinin hitsaukseen (SFS-EN ISO 13919-1 & 2)
• Kattavat myös lisäaineellisen sädehitsauksen
Hybridihitsauksen määritelmä (SFS-EN ISO 12932):
• Hybridihitsaus on menetelmä, jossa kahta tai useampaa
hitsausprosessia käytetään samanaikaisesti samassa hitsisulassa
Standardi SFS-EN ISO 12932 kattaa laser-kaari-hybridihitsauksen
• Yleisimmin käytössä laser-MAG-hitsaus
• Standardi kattaa teräksen, nikkelin ja nikkeliseosten hitsauksen
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 5
Hitsausvirheet 1: PintavirheetHitsausvirhe ISO 6520-1 Sulahitsaus ISO 5817 Hybridihitsaus ISO 12932 Sädehitsaus ISO 13919-1
104 kraatterihalkeama Ei sallittu D: sallittu D: sallittu
5011, 5012 reunahaavat B: ei sallittu ≤ 3 mm B: lyhyt sallittu Sallittu, max. mitat
5013 juurenpuolen reunahaava B: ei sallittu ≤ 3 mm B: lyhyt sallittu Sallittu, max. mitat
502 – 504 korkea kupu pinta/juuri Sallittu, max. mitat Sallittu, max. mitat Sallittu, max. mitat
505 jyrkkä liittyminen Raja-arvot päittäis/piena - -
5061, 5062 valuma pinta / pohja D: sallittu D: sallittu -
509, 511 vajonnut hitsi, vajaa kupu B: ei sallittu ≤ 3 mm B: ei sallittu ≤ 3 mm Sallittu, raja-arvot
515 vajaa juuri B: ei sallittu ≤ 3 mm Väljemmät rajat > 3 mm Sallittu, raja-arvot
517 uudelleenaloitusvirhe D: sallitaan - -
5214 liian suuri a-mitta Sallittu; raja-arvot B ja C - -
601, 602 sytytysjälki, roiskeet D: sallitaan - Roiskeet sovelluskoht.
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 6
Hitsausvirheet 2: Sisäiset hitsausvirheet
Hitsausvirhe ISO 6520-1 Sulahitsaus ISO 5817 Hybridihitsaus ISO 12932 Sädehitsaus ISO 13919-1
200, 2011, 2012 huokoset %-osuus pinta-alasta + dmax huokoselle
%-osuus pinta-alasta + väljemmät mm-rajat, dmaxsama
%-osuus pinta-alasta + lmaxhuokoselle
2013 huokosryhmä Huokoset kattavan ympyrän pinta-ala
%-osuus pinta-alasta + dmax yksittäiselle
%-osuus pinta-alasta + lmaxhuokoselle + max. väli
2014 huokosjono Huokosten dmax ja kannaksen leveys
%-osuus pinta-alasta + dmax yksittäiselle
%-osuus pinta-alasta + lmaxhuokoselle + max. väli
2015, 2016 pitkänomainen ja madonreikähuokonen
Raja-arvot hmax Väljemmät rajat, hmaxsama
-
300 – 3042 sulkeumat Raja-arvot samat Raja-arvot samat ”Ei relevantti”
401 – 4013 liitosvirheet D: sallittu, rajat samat D: sallittu, rajat samat D: sallittu, tiukemmat rajat
402 vajaa hitsautumissyvyys D: sallittu; osatunkeu-mapiena ja päittäis-: sallittu C
D: sallittu, rajat; 2-puol. osatunkeuma-T: sallittu C
D: täystunkeuma sallittu, rajat samat; osatunkeuma: sallittu, raja-arvot
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 7
Hitsausvirheet 3&4: Hitsausliitokseen kohdistuvat virheet, Useat samassa poikki-leikkauksessa esiintyvät virheet
Hitsausvirhe ISO 6520-1 Sulahitsaus ISO 5817 Hybridihitsaus ISO 12932 Sädehitsaus ISO 13919-1
507 – 508 sovitusvirheet Kulmapoikkeama ei määr. Kulmapoikkeama määrit. Kulmapoikkeama ei määr.
617 sovitusvirhe pienahitsissä Vain 1-puolinen 1- ja 2-puolinen Ei määritetty; viittaus: 5817 mukaan
Poikkeama hitsilinjalta (kohdistus/kallistusvirhe)
- - Sallittu, raja-arvot + hmax
Useat samassa poikki-leikkauksessa esiintyvät virheet (ei ISO 6520-1)
≤ 3 mm ei sallittu; > 3 mm raja-arvo + dmaxyksittäiselle
≤ 3 mm ei sallittu; > 3 mm raja-arvo + dmaxyksittäiselle
-
Projisoitu ala tai poikkipinta-ala pituussuunnassa (ei ISO 6520-1)
%-osuus tarkastusalueesta tai virheen pituus + kannas
%-osuus tarkastusalueesta tai virheen pituus + kannas
-
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 8
Kitkahitsaus pyörivällä työkalulla
Friction Stir Welding, FSW
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 9
Friction Stir Welding, FSW
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 10
University of North Dakota, Advanced Engineered Materials Center. 2018. Friction Stir Welding. https://engineering.und.edu/research/aemc/fsw.php (25.10.2018)
Nuclear Engineering International. 2014. Welding stir-up, https://www.neimagazine.com/features/featurewelding-stir-up-4363560/ (25.10.2018)
https://engineering.und.edu/research/aemc/fsw.phphttps://www.neimagazine.com/features/featurewelding-stir-up-4363560/
FSW-standardit
Hitsausohje on hyväksyttävä ennen tuotantohitsausta
• Pohjautuu tuotantokelpoiseen alustavaan hitsausohjeeseen (pWPS)
• pWPS pohjalta laaditaan hitsausmenetelmän hyväksymispöytäkirja (WPQR)
• pWPS hyväksytään joko menetelmäkokeella (welding procedure test) tai
esituotannollisella kokeella (pre-production welding test)
• WPQR perusteella hyväksytään hitsausohje (welding procedure specification
WPS)
• WPS pätevyysalueet ja toleranssit määritellään tarvittaessa standardien
ja/tai kokemuksen pohjalta
= Samanlainen periaate ja prosessi kuin sulahitsauksessa!
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 11
FSW-standardit
Standardisarja SFS-EN ISO 25239 Friction stir welding. Aluminium
• Osa 1: Sanasto (Vocabulary)
• Osa 2: Liitosten suunnittelu (Design of weld joints)
• Osa 3: Operaattorien pätevöinti (Qualification of welding operators)
• Osa 4: Hitsausohjeet ja niiden hyväksyntä (Specification and qualification of
welding procedures)
• Osa 5: Laatu- ja tarkastusvaatimukset (Quality and inspection requirements)
Osa 5: Ei varsinaista laatuluokitusta, vain hyväksytty / hylätty
• Vrt. sulahitsien laatuluokat D, C, B
Ei päde kitkapistehitseille!
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 12
FSW-hitsausohje
Työkalun tunnistaminen (kuva tarvittaessa)
• Työkalu on merkittävä pysyvästi ja sen kulumista on seurattava
Kiinnitysjärjestelyt (kuva tarvittaessa)
(p)WPS: hitsausparametrit
• Työkalun pyörimisnopeus [r/min] (Tool motion, rotation speed)
• Työkalun tunkeuma [mm] tai pystyvoima [kN] (Plunge depth or axial force)
• Työkalun kallistukulma hitsaussuuntaan [°] (Tilt angle)
• Työkalun sivukallistuskulma [°] (Side tilt angle)
• Pitoaika ennen hitsauksen aloitusta (kuljetusliike) [s] (Dwell time)
• Hitsausnopeus [mm/min] (Welding speed)31.10.2018 VTT – beyond the obvious 13
FSW: hitsausvirheet SFS-EN ISO 25239-5
Virhetyyppi Testaus Hyväksymisraja ISO 6520-1
Vajaa hitsautumissyvyys juuressa ME ei hyväksytä - (4021)
Korkea juurikupu VT, ME h ≤ 3 mm 504
Rajaviivan purse VT, ME määritetään tarvittaessa -
Tasomainen sovitusvirhe VT, ME h ≤ 0.2t tai 2 mm 507
Vajonnut hitsi / vajaa kupu VT, ME h ≤ 0.2 mm + 0.1t (t ≥ 2 mm); h ≤ 0.15t (t < 2 mm)
-(509, 511)
Epäsäännöllinen hitsin leveys VT määritetään tarvittaessa 513
Epätasainen hitsin pinta VT määritetään tarvittaessa 514
Ontelo ME d ≤ 0.2s tai 4 mm 200
Koukku (hook): rajapinnan kääntyminen ME määritetään tarvittaessa -
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 14
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 15Courtesy of Pedro Vilaça, Aalto University
FSW-hitsausvirheet: pinta ja juuri
FSW-hitsausvirheet: hitsausprosessi
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 16Courtesy of Pedro Vilaça, Aalto University
FSW-hitsausvirheet: hooking
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 17Courtesy of Pedro Vilaça, Aalto University
FSW-hitsausvirheet: sisäiset virheet
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 18Courtesy of Pedro Vilaça, Aalto University
FSW-hitsausvirheet: ”kauhugalleria”
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 19Courtesy of Pedro Vilaça, Aalto University
Lopuksi
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 20
Yhteenveto
Laserhybridi- ja muun sulahitsauksen (kaarihitsaus) hitsiluokat ja
hyväksymisrajat hyvin samankaltaisia (SFS-EN ISO12932 ja 5817)
• Hybridille pienat määritelty kattavammin (täys- ja osatunkeuma, 1- ja 2-puolinen)
• Paikoin väljennyksiä vikakokoihin
Sädehitseillä lukumääräisesti vähemmän hyväksymiskriteerejä/-rajoja
• Sovelletaan tarvittaessa osin myös SFS-EN ISO 5817, erityisesti pienoilla
FSW-hitsausohjeen hyväksyntäprosessi samankaltainen kuin sulahitseillä
• FSW-standardi ei määritä hitsiluokkia: vain hyväksytty tai hylätty
• Standardit kattavasti saatavilla, mutta vain alumiinille ( soveltaen muillekin?)
Kiitokset: prof. Pedro Vilaça, Aalto-yliopisto31.10.2018 VTT – beyond the obvious 21
Lähteet
Tulokset
• Kujanpää, Veli; Kortelainen, Olli; Ion, John; Vartia, Pekka; Hyppölä, Tero. 1996.
Laser- ja EB-hitsien menetelmäkokeet. Espoo, VTT. 259 s. VALB 168
• Mononen, Jukka; Savolainen, Kati; Saukkonen, Tapio; Hänninen, Hannu; Api,
Marko; Keinänen, Heikki; Martikainen, Hannu; Tervo, Jyrki; Sirén, Mika. 2008.
Friction Stir Welding, STIR - Final report. Teknillinen korkeakoulu,
koneenrakennustekniikan laitos, Espoo. 100 p. TKK Raportti K-2/08
Kuvat
• Nuclear Engineering International. 2014. Welding stir-up,
https://www.neimagazine.com/features/featurewelding-stir-up-4363560/ (25.10.2018)
• University of North Dakota, Advanced Engineered Materials Center. 2018. Friction
Stir Welding. https://engineering.und.edu/research/aemc/fsw.php (25.10.2018)
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 22
https://www.neimagazine.com/features/featurewelding-stir-up-4363560/https://engineering.und.edu/research/aemc/fsw.php
Lähteet Esityksessä käytetyt standardit:
• SFS-EN ISO 12932. Welding. Laser-arc hybrid welding of steels, nickel and nickel alloys. Quality levels for
imperfections (ISO 12932:2013)
• SFS-EN ISO 13919-1. (Hitsaus. Elektronisuihku- ja laserhitsatut liitokset. Hitsiluokat. Osa 1: Teräs.) Welding. Electron
and laser beam welded joints. Guidance on quality levels for imperfections. Part 1: Steel (ISO 1391 9-1:1996)
• SFS-EN ISO 13919-2. (Hitsaus. Alumiinin sädehitsaus. Hitsiluokat.) Welding. Electron and laser beam welded joints.
Guidance on quality levels for imperfections. Part 2: Aluminium and its weldable alloys (ISO 13919-2:2003)
• SFS-EN ISO 25239-1. Friction stir welding. Aluminium. Part 1: Vocabulary (ISO 25239-1:2011)
• SFS-EN ISO 25239-2. Friction stir welding. Aluminium. Part 2: Design of weld joints (ISO 25239-2:2011)
• SFS-EN ISO 25239-3. Friction stir welding. Aluminium. Part 3: Qualification of welding operators (ISO 25239-3:2011)
• SFS-EN ISO 25239-4. Friction stir welding. Aluminium. Part 4: Specification and qualification of welding procedures
(ISO 25239-4:2011)
• SFS-EN ISO 25239-5. Friction stir welding. Aluminium. Part 5: Quality and inspection requirements (ISO 25239-
5:2011)
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 23
Lähteet Muita standardeja:
• SFS-EN ISO 15609-3. Specification and qualification of welding procedures for metallic materials. Welding
procedures specification. Part 3: Electron beam welding (ISO 15609-3:2004)
• SFS-EN ISO 15609-4. Specification and qualification of welding procedures for metallic materials. Welding
procedures specification. Part 4: Laser beam welding (ISO 15609-4:2009)
• SFS-EN ISO 15609-6. Specification and qualification of welding procedures for metallic materials. Welding procedure
specification. Part 6: Laser-arc hybrid welding (ISO 15609-6:2013)
• SFS-EN ISO 15614-11. Specification and qualification of welding procedures for metallic materials. Welding
procedure test. Part 11: Electron and laser beam welding (ISO 15614-11:2002)
• SFS-EN ISO 10042. Hitsaus. Alumiinin ja alumiiniseosten kaarihitsaus. Hitsiluokat (ISO 10042:2005)
• SFS-EN ISO 13919-2. Welding. Electron and laser beam welded joints. Guidance on quality levels for imperfections.
Part 2: Aluminium and its weldable alloys (ISO 13919-2:2001)
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 24
Kiitos!
31.10.2018 VTT – beyond the obvious 25