Jäännösjännitysten muodostuminen kitkahitsauksessa

Abstract

Tämä työ on kolmesta osasta muodostuva kirjallisuuskatsaus, jossa ensimmäisenä käsitellään FSW-menetelmän (Friction Stir Welding) toimintaperiaatetta ja siinä muodostuvan liitoksen rakennetta. Tämän jälkeen perehdytään tarkemmin jäännösjännityksiin ja niiden muodostumiseen prosessin aikana eri tekijöiden vaikutuksesta, sekä menetelmiin, joilla voidaan vähentää hitsausprosessissa muodostuvia jäännösjännityksiä. Työn tavoitteena on selvittää menetelmän tekijät, jotka vaikuttavat merkittävästi jäännösjännitysten muodostumiseen.

FSW on kitkaan ja materiaalivirtaukseen perustuva kiinteän olomuodon liitosmenetelmä, jolla voidaan toteuttaa tehokkaasti mekaanisilta ominaisuuksilta vahvoja liitoksia soveltuvan työkalun avulla. Menetelmällä voidaan toteuttaa liitoksia materiaaleihin, kuten korkealujuuksisiin alumiineihin, joiden liittäminen perinteisillä sulahitsausmenetelmillä on haastavaa. Kuten muissa hitsausmenetelmissä, myös FSW-menetelmässä muodostuu jäännösjännityksiä, jotka vaikuttavat pääasiassa negatiivisesti materiaalin mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten väsymiskestävyyteen.

Tutkimuksen perusteella menetelmässä muodostuu pääasiassa vetäviä jäännösjännityksiä sekä termisesti, että mekaanisesti. Termisesti muodostuvat jäännösjännitykset ovat merkitsevämpiä, sillä ne vaikuttavat lopullisten jäännösjännitysten suuruuteen. Mekaanisesti muodostuvat jäännösjännitykset eivät ole suuruudeltaan merkitseviä, mutta ne aiheuttavat jännitysjakaumaan epäsymmetriaa. Vetävien jäännösjännitysten suuruuteen vaikuttavat merkittävästi työkalun etenemisnopeus. Suuremman etenemisnopeuden vaikutuksesta liitoksen ja sen ympärillä olevan perusmateriaalin lämpötilaero kasvaa johtaen korkeampiin vetäviin jäännösjännityksiin. Prosessin aikana jäännösjännitysten vähentämiseen voidaan vaikuttaa merkittävästi kappaleen kiinnityksellä, sekä prosessinaikaisella jäähdytyksellä. Kiinnityksellä voidaan aiheuttaa vetävä esijännitys kappaleisiin, joiden avulla voidaan saavuttaa tila, jossa kappaleisiin muodostuvat vetävät jäännösjännitykset ovat hyvin matalia tai ne ovat täysin puristavia.

Prosessin aikana muodostuvien jäännösjännitysten suuruus ei kuitenkaan aina vastaa vaadittua tasoa. Jäännösjännityksiä on kuitenkin mahdollista vähentää hitsauksen jälkeen lämpökäsittelyn tai mekaanisten menetelmien avulla. Tavoitteena kuitenkin on minimoida jäännösjännitysten muodostuminen liitoksen muodostamisen aikana työvaiheiden, ja siten kustannusten vähentämiseksi.