Taistelussa materiaalin väsymistä vastaan

Hitsin laatu on tärkeää jokaisen terässovelluksen suorituskykyyn. Se pätee erityisesti erikoislujasta (HSS) teräksestä valmistetuille osille johtuen suuresta jännityksestä, jolle ne altistuvat. Nyt tukholmalainen tutkija, tohtoriopiskelija Thomas Stenberg on kehittänyt uuden menetelmän varmistamaan hitsin laadun.

HSS-tuotteiden viat ja säröt esiintyvät yleensä hitsauskohtien ympärillä. Liikkuvat ja tärisevät osat ovat alttiimpia väsymiselle – tai kulumiselle ja repeytymiselle – koska jännitys on lisääntynyt hitsauskohdan ja perusmateriaalin välillä. Jos hitsaus on huonolaatuinen, säröjen esiintyminen saattaa olla mahdollista.

Kuten SSAB:n Knowledge Service Centerissä toimiva liitosten ja termisen leikkauksen päällikkö Anders Ohlsson selvittää, hitsattujen rakenteiden luotettava laadunvarmistus aiheuttaa suuria kustannuksia. Niinpä terästeollisuuden yhtenä pääasiallisena rajoituksena on nykyään sen kyvyttömyys varmistaa tehokkaasti tuotteittensa hitsauslaatu.

”Hitsaus tehdään normaalisti valmistuksen aikana, mutta sen laadun voi varmistaa vain silmämääräisillä tarkistuksilla, sen jälkeen kun prosessi on päättynyt. Sen vuoksi komponentti voi kulkea koko valmistusprosessin läpi, ennen kuin hitsausvika löytyy, minkä jälkeen se täytyy joko korjata tai romuttaa”, hän sanoo.

”Ajasta ja kustannuksista johtuen voidaan yleensä tarkistaa vain murto-osa koko tuotoksesta. Vaikka hitsauksen tarkistukseen käytettäisiinkin paljon aikaa, niin kuitenkin jäljelle jää riski, että markkinoille pääsee tuotteita, joissa on hitsausvika”, Ohlsson lisää. 

Tukholman teknillisen korkeakoulun KTH:n tohtoriopiskelija Thomas Stenbergin kehittämän uuden innovaation ansiosta nämä huolenaiheet kuuluvat pian historiaan. Stenberg on yhdessä kollegojensa kanssa kehittänyt varman laadunvarmistusmenetelmän (QA), jossa käytetään laserprofiiliskanneria arvioimaan hitsattua pintaa ja mittaamaan hitsin laadun. Menetelmän mullistavin puoli on, että arvioinnit tehdään reaaliaikaisesti – suoraan kytkettynä – hitsausprosessin aikana.

”Tämä järjestelmä antaa välitöntä palautetta hitsaajalle siitä, onko hitsisauma vaatimuksen mukainen”, Stenberg selvittää. ”Jos näin ei ole, hitsausrobotti säätää prosessin parametrit varmistamaan, että hitsauslaatu on halutun tuloksen mukainen, ilman että prosessi keskeytetään tai työ suoritetaan uudelleen.”

Ohlsson lisää, että tämä uusi laadunvarmistusmenetelmä pystyy mullistamaan tavat, joilla SSAB:n monet asiakkaat käyttävät erikoislujaa terästä. Se avaa uusia mahdollisuuksia sovelluksille, jotka hyötyvät teräksen erinomaisesta laadusta, muun muassa komponenttien pienemmästä painosta ja vähentyneestä polttoainekulutuksesta.

”Väsymisen aiheuttamien vikojen minimointi mahdollistaa erikoislujan teräksen käytön monissa sovelluksissa, joissa sitä ei voi käyttää nykyään, kuten koneissa ja komponenteissa, jotka altistuvat suurille rasituksille. Näitä sovelluksia voivat olla valmistuksessa ja metsäteollisuudessa käytettyjen laitteiden rungot, perävaunujen rungot ja energiantuotannossa käytetyt komponentit”, Ohlsson sanoo.

Stenberg voitti 2015 SSAB:n Swedish Steel Prizen ”University Challenge” -palkinnon hänen uuden laadunvarmistusmenetelmänsä uraauurtavasta kehityksestä. Stenbergin mukaan tämä menetelmä antaa sitä käyttäville asiakkaille huomattavia etuja. 

”Ensiksikin odotamme tuottavuuden parantuvan noin 50 prosenttia robotin parantuneen nopeuden vuoksi. Samalla hitsauksessa käytettävien materiaalien kulutus pienenee 30 prosenttia”, hän toteaa. ”Näin valmistajat pystyvät myös lyhentämään toimitusaikojaan vähentyneiden tarkastuskertojen ansiosta. Myös romutettavien tai uudelleenkäsiteltävien tuotteiden määrä pienenee.”

Uusi laadunvarmistusmenetelmä 

Tämä menetelmä on uraauurtava laadunvarmistustekniikka, jossa käytetään laserprofiilianturia arvioimaan hitsisauman pinta. Se myös määrittää parametrit, joita tarvitaan varmistamaan väsymiskuormitukselle altistuvien rakennekomponenttien laatu. Hitsaaja mittaa laserprofiiliskannerilla hitsatun pinnan ja varmistaa hitsauksen laadun. Jos sen todetaan olevan riittämätön, hitsausrobotti voi säätää prosessiparametrit varmistamaan, että hitsauksen laatu on halutun tuloksen mukainen. Thomas Stenberg ja hänen kollegansa kehittävät menetelmän kaupallista versiota, jonka odotetaan olevan markkinoilla 1–3 vuoden sisällä.

Käyttöalueet

Uusi laadunvarmistusteknologia on suunniteltu ensisijaisesti useille hitsausmenetelmille, esimerkiksi MMA, MIG/MAG, TIG, SAW, laser- ja plasmahitsaus. SSAB:n näkökulmasta tämä tekee sen erityisen sopivaksi erikoislujille Strenx-terästuotteille.

Teksti: Isabell Kliger

Tämä artikkeli on julkaistu SSAB World -lehden numerossa 1/2016.
Lue koko lehti PDF-muodossa.