FI98054B - Menetelmä levyjen päittäishitsiliitoksen väsymislujuuden parantamiseksi - Google Patents

Description

98054

MENETELMÄ LEVYJEN PÄlTTAISHITSILIITOKSEN VÄSYMISLUJUUDEN PARANTAMISEKSI

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 5 johdanto-osassa määritelty menetelmä.

Entuudestaan tunnetaan, että hitsien väsymiskestävyyttä voidaan parantaa erilaisilla jälkikäsittelyillä, joita ovat hiominen, kuulapommitus, TIG-käsit-tely jne., mutta ongelmana niissä on, että ne lisäävät 10 huomattavasti tuotantokustannuksia ja niiden suorituksen laadunvalvonta on vaikeaa.

Rakenteiden keventäminen on johtanut yhä lujempien materiaalien käyttämiseen. Usein potentiaalinen painonsäästö on jäänyt vähäiseksi, koska hitsausli.itos-15 ten väsymislujuus on lähes riippumaton perusaineen lujuudesta. Sallittu jännitystaso liitoksessa on määrännyt koko levykentän paksuuden. Toisaalta liitoksen osuus rakenteesta on huomattavan pieni, esimerkiksi laivoissa.

20 Suurilujuuksisen teräksen lujuutta väsymisalt- tiissa rakenteissa ei voida täysin hyödyntää, koska hitsiliitoksen väsymiskestävyys on huomattavasti alhaisempi kuin pelkän perusaineen. Esimerkiksi ferriit- • · .**: tisen kontrolloidusti valssatun teräksen (RAEX 640), • · .*·· 25 jonka myötölujuus on 640 MPa, perusaineen väsymislujuus on 500 MPa/1 milj sykliä. Päittäishitsiliitoksen väsy- ··· mislujuus on 200 MPa/1 milj sykliä. Jälkimmäinen luku • · · · on mitoituksessa määräävä. Päittäisliitoksen väsymislu-juus on hyvin lähellä Fe 52 päittäisliitoksen lujuutta, » · · 30 joten RAEX 640 -materiaalin suurta lujuutta ei päästä . hyödyntämään keveyttä vaativissa rakenteissa. Vastaa- • « · '·:·* vanlainen tilanne on hitsatuissa alumiinirakenteissa.

• · · • · ♦ V * Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä • mainitut epäkohdat.

»·· · .···. 35 Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tun- » · nusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa ψ · · 1 .

• · Ψ · · • ·· • ♦ 2 98054

Keksinnön mukaisessa menetelmässä levyjä liitetään yhteen päittäisesti hitsaamalla. Keksinnön mukaisesti ennen hitsaamista levyjen päittäisesti hitsattavat reunat muovataan levyn paksuutta suurempaan pak-5 suuteen.

Huomioimalla liitostyyppi ja sen väsymiskestävyys verrattuna perusaineen väsymiskestävyyteen valitaan reunan paksunnos siten, että liitoksen väsymiskestävyys on yhtä hyvä tai parempi kuin ohuemman perusai-10 neen. Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan saavuttaa vaadittu väsymiskestävyys vaihtoehtoisia menetelmiä pienemmillä tuotantokustannuksilla. Reunapaksunnoksen avulla suurilujuuksisen teräksen lujuutta väsymisalt-tiissa rakenteissa voidaan entistä paremmin hyödyntää. 15 Alentamalla jännitystä hitsikohdassa paksunnoksen avulla saadaan koko rakenteesta tasaluja väsymislujuuden suhteen. Reunapaksunnoksen teko muovaamalla on nopeaa ja samalla voidaan muodostaa valmis hitsirailo. Hitsin kupu voidaan jättää tai poistaa työstämällä aineenvah-20 vuuden säilyessä silti riittävänä. Toisaalta kohollaan oleva kupu on helppo hioa.

Sellaisissa kohteissa, missä rakenteen painolla on erityistä merkitystä voidaan keksinnön mukaisella • menetelmällä aikaansaada merkittävä painonsäästö, koska • ·· «· .· .· Ϊ 25 levyn koko lujuus voidaan käyttää hyväksi.

Eräänä edullisena käyttökohteena keksinnön » j· mukaiselle menetelmälle on laivanrakennus, jossa isoja ·. levyjä liitetään toisiinsa päittäishitsiliitoksilla.

• Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan metallile-30 vyistä hitsata laivojen runkoja, joissa on perusedellytyksenä, että runko on tavanomaista laivan runkoa huo-mattavasti kevyempi ja lujempi ja joissa hitsiliitosten • · · väsymiskestävyydelle on asetettu suuret vaatimuKset.

.·. Keksintö soveltuu erityisen hyvin käytettä- » · „ „ ··. 35 vaksi kaikenlaisten paittaishitsiliitoksilla koottujen ” väsymisalttiiden rakenteiden yhteydessä. Tällaisia *.* rakenteita ovat laivojen ohella myös esim kotelopal- • · 3 98054 keistä valmistetut sillat ja nosturit, levyistä kootut isot varastosäiliöt yms.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa levyn reuna muovataan valssaamalla levyn reunan tycsäämiseksi.

5 Menetelmän eräässä sovellutuksessa levyn reu naan reunapaksunnosta muovattaessa muodostetaan levyn päätyyn samalla hitsin railokylki muovaamalla se haluttua hitsin railomuotoa vastaavaan kulmaan.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa muovatun 10 reunapaksunnoksen ja levyn pinnan välinen siirtymäalue muovataan pyöristettyyn, epäjatkuvuuskohtia välttävään muotoon.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa 15 kuva 1 esittää kaaviomaisesti useista levyistä koostuvaa levykenttää, jossa levyt on liitetty toisiinsa keksinnön mukaisen menetelmän erään sovellutuksen mukaisesti, kuva 2 esittää leikkausta II-II kuvasta 1 20 kuva 3 esittää Wöhler-väsymislujuuskäyriä.

Kuvassa 1 on osa laivan kylkeä nähtynä sivultapäin. Kylki on muodostettu useista suorakaiteenmuo- . . toisista levyistä 1, 2, 1', 2', jotka on liitetty toi- » · · *· *· siinsa reunoilta päittäishitsausliitoksilla.

• » • · · *ϊ 25 Kuvassa 2 on leikkauskuva levyn 1 ja levyn 2 • · välisestä päittäishitsausliitoksesta, jonka väsymislu- juutta on parannettu keksinnön mukaisella tavalla.

:*·*: Kummankin levyn 1, 2 päittäisesti toisiinsa hitsattui- • · ;*i*j hin reunoihin kuuluu levyihin muovatut reunapaksunnok- 30 set 3, 4. Reunapaksunnokset 3, 4 on muovattu levyn paksuutta paksummiksi. Reunapaksunnosten 3, 4 päädyt on • · ·

Hl muovauksen yhteydessä samalla muovattu hitsin railo- • · · *·" ’ muotoa vastaaviin kulmiin a, jolloin mitään työstötyö- \\ j vaihetta, jyrsintää, hiontaa tms. ei tarvita. Reunapak- :***: 35 sunnoksen tyssääminen muovaamalla on nopeaa ja samalla • · · .*. syntyy valmis hitsirailo. Railokyljet voidaan muovata • · · \\ mihin tahansa sopivaan muotoon vastaten esim V-, I-, • · · • ·· » · 4 98054 U-, X- tms railomuotoa. Hitsin kupu voidaan jättää sellaiseksi tai poistaa työstämällä aineenvahvuuden säilyessä silti riittävänä. Toisaalta kohollaan oleva kupu on helppo hioa. Muovatun reunapaksunnoksen 3, 4 ja 5 levyn 1 , 2 pinnan välinen siirtymäalue on muovattu pyöristettyyn, epäjatkuvuuskohtia välttävään muotoon.

Kuvassa 3 on aksiaalista jännitystilaa vastaavia ns Viöhler-väsymislujuuskäyriä, jossa kaksoisloga-ritmiasteikossa pystyakselilla on jännitys o ja vaaka-10 akselilla kuormanvaihtojen lukumäärä eli kuormanvaihto-luku N. Kukin käyrä on saatu valitsemalla useita jännityksen arvoja ja tekemällä kullakin arvolla väsytyskoe. Käyrät kuvaavat kaaviomaisesti aineen väsymislujuutta kuormanvaihtoluvun funktiona.

15 Oheisen kuvan 3 kokeellisesti määritettyä hit siliitosten väsymislujuuskäyrästöä (SFS 2378) voidaan käyttää hitsiliitosten mitoituksen perusteena. Käyrät on laadittu IIW:n (International Institute of Welding) piirissä käyttäen lähdeaineistona saatavissa olleita 20 laboratoriokokeiden tuloksia. Saadut Wöhlerkäyrät ovat kaksoislogaritmisessa asteikossa samassa kaltevuudessa vastaten särönkasvulain eksponentin arvoa m=3,0. Tiet- . . tyä käyrää edustaa yhtälö Ν·Δσ3 = C. Vakiot C on annettu • « · ’· ’· taulukossa 4.

• · • » · *. *! 25 Kuvassa 3 hitsiiuokkaa (ts. vasytysluokkaa) • · 100 vastaava käyrä I edustaa esim tavanomaista päit-taishitsiliitosta, jossa levyt ovat päittäin ja hitsi-Γ**: kupu on jätetty koholle. Korkeampi ominaisväsymislujuus .*j*: on liitoksella, jossa hitsikupu on työstetty pinnan ta- 30 soon, mitä edustaa ominaisväsymiskäyrä II (hitsiluokka 125). Standardista SFS 2378 saatuun kuvaan on lisätty • · ·

Hl vastaavasta ruotsalaisesta standardista ominaisväsymis- • · · *** * käyrä III vastaten perusainetta ja keksinnön mukaisella : menetelmällä valmistettua päittäishitsiliitosta. Perus- ··· t :***: 35 aineella ja keksinnön mukaisesti valmistetulla liitok- • · m sella on luonnollisesti edelleen korkeampi ominais- • · · ***\ väsymislujuus.

* · · • ·· • · 5 98054

Kuvan 3 perusteella voidaan tehdä keksinnön mukaisella menetelmällä valmistetun liitoksen mitoituslaskelmia. Seuraavassa esimerkki.

ESIMERKKI 1 5 Levyjen välisen päittäishitsisauman ja levyn halutaan olevan tasalujia väsymisen suhteen. Mikä on vaadittu paksunnos levylle, jos kestoikävaatimus on 1 miljoona kuormanvaihtoa ? Levyn paksuus on 7 mm ja myötölujuus 640 N/mm2.

10 Kuvasta 3 saadaan jännitysvaihteluksi - perusaine 200 N/mm2 - päittäisliitos 130 N/mm2 (hitsiluokka 100) Perusaineen sallittu jännitysvaihtelu on 200 N/mm2, jotta hitsausliitos olisi tasavahva perusaineen kanssa 15 on liitoksen pinta-alan oltava 200/130 = 1,55-kertäi nen perusaineeseen nähden. Tässä tapauksessa tulee paksunnoksen kokonaispaksuudeksi 1,55 x 7 mm =11 mm.

ESIMERKKI 2 20 Levyjen välisen päittäissauman edellytetään kestävän väsyttävää 130 N/mm2 nimelliskuormitusta vähintään 2 miljoonaa kuormanvaihtoa. Kustannussyistä edel- . lytetään työvaiheiden ja välivarastoinnin minimointia.

• · *j Keksinnön mukaisesti vaadittu kestävyys saavu- • · '· 25 tetaan seuravilla kahdella työvaiheella: - hitsattavien levyjen reunoihin valmistetaan V-hitsi- m *·1 railot muovaamalla *[: - suoritetaan päittäishitsaus, '·1; Vaihtoehtoinen menetelmä edellyttäisi seuraavia kolmea 30 työvaihetta: - hitsattavien levyjen reunoihin valmistetaan V-hitsi- • · III railot jyrsimällä • · ...» *. - suoritetaan paittaisnitsaus ,· · - suoritetaan hitsin jälkikäsittely reunaviivan kohdal- ***: 35 ta TIG-sulatuksella ja varmistetaan hitsin jälkikäsit-* · 1 telyn onnistuminen jälkitarkastuksessa.

* 1. Hitsirailon valmistaminen esimerkiksi rulla- m · • · • · 6 98054 muovaimella muovaamalla on vaihtoehtoista jyrsintäs nopeampi ja edullisempi työvaihe. Samalla keksinnön mukaisella menetelmällä aikaansaatu liitoskohdan paksunnos tekee hitsin jälkikäsittelyn tarpeettomaksi.

5 Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitet tyjä sovellutusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

e 1« ►» * » » • · » »

P

« • « • · i · • · , · r · » » · • · 1 · > » *

Claims (5)

98054

1. Menetelmä levyjen päittäishitsiliitoksen väsymislujuuden parantamiseksi, jossa menetelmässä 5 levyjä liitetään yhteen päittäisesti hitsaamalla, tunnettu siitä, että ennen hitsaamista levyjen päittäisesti hitsattavat reunat muovataan levyn paksuutta suurempaan paksuuteen.

2. Patenttivaatimuksen l mukainen menetelmä, 10 tunnettu siitä, että levyn reuna muovataan valssaamalla levyn reunan tyssäämiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että levyn reunaan reunapaksunnosta muovattaessa muodostetaan levyn pää- 15 tyyn samalla hitsin railokylki muovaamalla se haluttua hitsin railomuotoa vastaavaan kulmaan.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muovatun reu-napaksunnoksen ja levyn pinnan välinen siirtymäalue 20 muovataan pyöristettyyn, epäjatkuvuuskohtia välttävään muotoon.

: 5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen • ·· '•m | menetelmä, tunnettu siitä, että hitsauksen • · · C . jälkeen hitsikupu työstetään pois. • · · • · » · ···· ·1 2 · • · · • · • · • ·· • · · • · · ♦ ···» ··· « · · • · · · • · ·♦· • · ··· 2 · • · ♦ • 1 • · 3 98054