Konepajatyön laadun vaikutus teräsrakenteen kuumasinkitykseen

Abstract

Tämän opinnäytetyön aiheena oli Konepajatyön vaikutus teräsrakenteen kuumasinkitykseen. Lujien teräksien käytöllä saavutetaan säästöjä materiaalikustannuksissa ja valmistuksessa. Lopputuotteiden kapasiteettia käyttötarkoituksessa saadaan joissain tapauksissa nostettua. Uusimman sukupolven lujia teräksiä käyttämällä on mahdollista muotoilla yhä lujempia ja kevyempiä rakenteita. Muovattavien ja hitsattavien rakenneterästen myötölujuusluokka on saatu nostettua jo suuruusluokkaan 1000MPa. Kuumasinkitsemällä pinnoitetuissa hitsaamalla ja kylmämuovaamalla valmistetuissa teräsrakenteissa on tapahtunut valmiiden tuotteiden vaurioitumisia halkeamalla kuumasinkitysprosessin aikana. Vaurioiden syitä ei ole pystytty täysin selvittämään. Osana tätä insinöörityötä valmistettiin Rautaruukin Optim 900 QC -teräksestä 54 kappaleen koesarja puutavaran maantiekuljetuksissa käytettäviä puutavarapankkoja, jotka pinnoitettiin kuumasinkitsemällä. Kaikki konepajatyön eri vaiheiden parametrit ja yleinen laatutaso asetettiin vastaamaan teräksenvalmistajan ja Suomen Kuumasinkitysyhdistyksen suosituksia. Prosessin vaiheita valvottiin koko ketjussa suunnittelusta valmiiden lopputuotteiden pakkaamiseen. Puutavarapankkojen valmistuksessa käytettiin laserleikkausta, kylmämuovausta särmäyspuristimilla ja robotisoitua MAG-hitsausta. PSK 2702 standardin mukaisen terästyön laatuasteeksi saavutettiin kautta koesarjan luokka 04. Rakenteissa esiintyneet terävät huiput, lovet ja virheet laserleikatuissa reunoissa poistettiin erityistoimenpiteenä mekaanisesti hiomalla. Saavutettiin ennalta asetetun vaatimustason mukaisia valmiita lopputuotteita, joiden laatutaso täytti vaatimukset. Aiemmin valmistetuissa vastaavissa tuotteissa oli tapahtunut halkeamia kuumasinkityksessä. Koesarjassa ei havaittu yhtään halkeamaa. Kerätyn kirjallisuustiedon ja kokeiden perusteella arvioitiin todennäköiseksi halkeamien aiheuttajaksi kappaleissa vallitsevien jäännösjännityksien, leikkuureunoissa olevien virheiden sekä sinkkipadan seosaineiden yhteisvaikutus, joka johtaa sulan metallin aiheuttamaan jännityskorroosioon, sulametallihaurastumiseen (liquid metal embrittlement). Riski korostuu vääränlaisen suunnittelun vuoksi ja konepajatyön laatuasteen ollessa huono. Lopputuloksena laadittiin suunnittelijoiden, konepajojen ja kuumasinkityslaitosten käyttöön lujista teräksistä valmistettavia kuumasinkittäviä teräsrakenteita koskeva ohjeisto joka kattaa koko valmistusketjun.

The purpose of this thesis was to Effect of workshop processes quality on hot dip galvanized steel structures. The use of ultra high strength steel can bring about savings in material costs and manufacturing. In some cases it can increase the end products' capacity once put to their end uses. New-generation ultra high strength steels allow for the design of increasingly durable and lightweight structures. By now, the yield strength of ductile and weldable structural steel types has been raised to the region of 1,000 MPa. Hot-dip galvanized steel structures manufactured by welding and cold forming have been affected by some finished products being damaged by cracking during the galvanizing process. The cause of these damages has not been fully revealed. As a part of this engineering project, a test series of 54 steel brackets used in road transports of timber were manufactured out of Rautaruukki's Optim 900 QC steel, and coated by hot-dip galvanizing. The parameters and general quality criteria of all the stages of workshop engineering were set to correspond to the recommendations of the steel manufacturer and the Finnish Galvanizers' Association. The stages of the process were monitored throughout the chain, from design to the packaging of end products. The timber bracket manufacturing process involved laser cutting, cold forming using press brake, and robotized MAG welding. In the test series, the quality classification achieved for steel work in accordance with standard PSK 2702 was 04. Sharp peaks, notches and faults in the laser-cut edges of the structures were removed by the separate procedure of mechanical grinding. This led to end products being in accordance with preset quality demands, at the required level of quality. Similar products manufactured previously had cracked during the hot-dip galvanizing process. No cracks were found in the test series. On the basis of the tests and of literature studied, the author came to the conclusion that the probable cause of the cracks was the combined effect of residual stress remaining in the items, faults in cut edges and the blend components in the zinc kettle, which causes liquid metal embrittlement or stress corrosion from the liquid metal. This risk is amplified by inadequate design or poor quality in workshop engineering. The tests led to the creation of instructions for the production of hot-dip galvanized steel structures made from ultra high strength steels, covering the entire production chain, for use by engineers, workshops and hot-dip galvanizing plants.