Väitöstutkija Lassi Keränen on vastaillut väitöstilaisuudessaan jo tunnin verran vastaväittäjän Tuomas Rantalaisen ja toisen vastaväittäjän, professori Reijo Kouhian kiperiin kysymyksiin. Nyt kysytään väittelijän näkemystä teräsrakenteiden suunnittelijan kauhun paikkaan.
– Suunnittelijan näkökulmasta tämä ultralujien terästen hitsaus on – lievästi muotoiltuna – painajaismaista, sanoo Rantalainen.
Rantalainen arvelee, että suunnittelijana tekisi jopa mieli unohtaa hitsaus ja käyttää muita liitostapoja.
– En oikeastaan ylläty, Lassi Keränen vastaa.
– Siksi tämä työ on tehty, että löydettäisiin keinoja ultralujien terästen hitsaukseen.
Ultralujien terästen avulla koneista ja laitteista voidaan valmistaa keveämpiä. Polttoainetta säästyy, kun hyötykuorma kasvaa.
Esimerkiksi Oulusta Hailuotoon rakennettavaan pengertiehen tarvitaan noin kaksi miljoonaa tonnia mursketta. Jos sitä kuljettavat kuorma-autot kevenisivät ja hyötykuormat kasvaisivat lujien terästen avulla, vaikka vain 250 kilogrammalla, vähenisivät ajokerrat noin kolmellasadalla.
– Tämä säästäisi 18 000 litraa dieseliä ja 30 000 euroa rahaa, ja vähentäisi hiilidioksidipäästöjä 47 000 kiloa, laskee Keränen.
Suomen koneteollisuuteen vasta tulossa
Koria vahvistavat ja keventävät ultralujat teräkset ovat jo nykypäivää autojen massateollisuudessa. Suomen koneteollisuuteen ne ovat vasta tulossa.
Ongelmaksi muodostuvat liitokset. Hitsaus on yleisin menetelmä koneenosien pysyviin liitoksiin, mutta hitsauksessa teräkseen tuotu lämpö voi heikentää teräksen ominaisuuksia lähes perinteisen rakenneteräksen tasolle.
– Lujia teräksiä ei vielä oikein osata käyttää, eikä suunnitteluohjeita juuri ole saatavilla, Keränen kertoo.
Hitsauksen aiheuttama kuumennus muuttaa teräksen ominaisuuksia, kuten sitkeyttä ja lujuutta, ja aiheuttaa teräkseen haitallisia jäännösjännityksiä. Suunnittelun vaikeusastetta lisää se, että entistä hoikemmat ja kevyemmät rakenteet vaativat lisää jäykisteitä, ja entistä huolellisempaa suunnittelua.
Rakennesuunnittelija on siis paljon vartijana, samoin osia konepajalla toisiinsa liittävä hitsaaja.
– Jotta uusien ultralujien terästen lujuus ja ominaisuudet säilyvät, tarvitaan huolellisen suunnittelun lisäksi tarkkaa hitsausprosessin hallintaa, hitsauksen laadunvalvontaa ja jälkikäsittelyitä, Keränen kertoo.
Kaikki lähti kyntöauran väsymismurtumista
Lassi Keräsen väitöstyö sai alkunsa kyntöauran rungon väsymismurtumista.
Keränen ryhtyi selvittämään yliopiston tutkimusprojektissa, miten ultralujaa terästä voisi hyödyntää auran rungossa. Aluksi hän tutki venymäliuskoilla, millaisia kuormituksia auran runkoon kynnön aikana kohdistuu, kun auran siipi esimerkiksi osuu kiveen.
Keränen suunnitteli auran rungon uudelleen käyttäen tuplasti alkuperäistä lujempaa S700-lujuusluokan rakenneputkea. Uudella materiaalilla kyntöauran rungosta tuli noin 30 prosenttia kevyempi. Lujan teräksen käyttäminen vaatii kuitenkin erityisen huolellista suunnittelua, jotta kriittiset liitokset kestäisivät auran suunnitellun 15 vuoden elinkaaren.
– Kriittisintä oli hitsausliitosten suunnittelu, summaa Keränen ensimmäisen, vuonna 2017 julkaistun tutkimuspaperinsa tärkeimmän havainnon.
Niinpä Keränen keskittyi väitöstyössään tutkimaan hitsauksen vaikutuksia ultralujaan teräkseen.
Tutkimuksen kohteena olivat muun muassa eri hitsausmenetelmät. Ultralujia teräslevyjä liitettiin toisiinsa MAG- ja laserhitsauksella. Hitsauksen suoritti robotti, jotta liitos oli mahdollisimman tasalaatuinen.
Lämpö on myrkkyä hitsausliitoksen vetolujuudelle
Hitsaussaumojen kestävyyttä Keränen tutki vetokokeissa, jotka paljastavat materiaalin lujuus- ja sitkeysominaisuudet.
Kriittiseksi muuttujaksi osoittautui hitsaussaumaan tuodun lämmön määrä. Mitä suurempaa oli lämmöntuonti, sitä alempi oli hitsausliitoksen vetolujuus.
Laserhitsaus osoittautui MAG-hitsausta etevämmäksi korkealujuusterästen hitsauksessa, sillä se tuo materiaaliin huomattavasti vähemmän lämpöenergiaa.
Väitöskirjan elektronimikroskooppikuvat hitsaussaumoista kertovat, miten teräksen mikrorakenne on muuttunut hitsauksessa. Keränen esittelee elektronimikroskooppikuvaa MAG-hitsatusta kappaleesta.
Hitsisauman vieressä näkyy selvästi karkearakeisempi alue.
– Se on sitä leveämpi, mitä enemmän hitsauksessa on tuotu lämpöä kappaleeseen.
Karkeat rakeet kertovat, että materiaali on menettänyt sitkeyttään ja vetolujuuttaan hitsaussauman vieressä.
Keränen mallinsi hitsaustapahtumaa myös laskennallisin menetelmin. Simulointi elementtimenetelmällä kertoo, millaisia jännityksiä materiaaliin syntyy hitsauksen aikana.
– Hitsauksen aikainen lämpölaajeneminen puristaa laajanevaa materiaalia, ja siinä tapahtuu pysyviä muodonmuutoksia. Kun teräs lähtee jäähtymään takaisin huoneenlämpöön, jää materiaaliin jäännösjännitystä, joka kiskoo teräksen rakeita irti toisistaan.
Rakenteen sisällä on siis jo valmiiksi vetojännitystä, joka heikentää hitsatun rakenteen kykyä kestää varsinaista kuormitusta.
– Vetojäännösjännitykset kasvattavat kokonaisjännitystä ja heikentävät koneenosan väsymisominaisuuksia ja kestoikää, Keränen selittää.
Kuvaajasta apua koneensuunnittelijoille
Vastaväittäjien lausunnossa kehuja keräsi väitöskirjan viimeinen julkaisu, Keräsen omakin suosikki väitöskirjan tutkimusjulkaisuista.
Siinä Keränen vertaili simulaatiomallien ennustamia jäännösjännityksiä hitsatuista kappaleista röntgenmittauksella mitattuihin.
– Simulaatiot pitivät hyvin yhtä mittausten kanssa.
Väitöstyössä syntyi myös kättä pidempää eli kuvaaja ultralujien teräsrakenteiden suunnittelijoille. Suunnittelu on perusteräksiä vaativampaa, mutta hitsausten suunnittelusta väitöskirja tekee hieman vähemmän painajaismaista. Keräsen tulosten perusteella suunnittelija voi arvioida eri hitsausliitosten lujuutta, sitkeyttä ja kestävyyttä.
– Ei tarvitse mitata jäännösjännityksiä tai tehdä simulaatioita, vaan voi katsoa suoraan kuvaajasta.
Tästä on apua koneensuunnittelijoille, joilla ei ole käytössään samanlaisia standardeja kuin rakennusalalla. Siellä teräsrakenteiden suunnittelijat käyttävät Eurokoodi 3-standardia rakenteiden mitoituksessa.
– Mutta sekään ei tunne kaikkein lujimpia, yli 700 MPa myötölujuuden teräksiä, Keränen kertoo.
Tulosten perusteella standardit myös vaativat päivityksiä ultralujien terästen kohdalla. Joissain tilanteissa standardi arvioi korkealujuusterästen myötölujuuden Keräsen mittaamia suuremmaksi.
Lassi Keräsen tie tohtoriksi
- 1991. Lassi Keränen syntyy Taivalkoskella.
- 1998. Seitsenvuotias Lassi Keränen askartelee ensimmäisen puukkonsa. – Pellistä ja puunpalasesta.
- 2008. Lukiolainen Keränen voittaa puukonrakennuksen SM-kilpailun nuorten sarjan.
- 2010. Tuore ylioppilas lähtee armeijaan Rovaniemelle ja hakee sieltä päästyään konetekniikan ja hammaslääketieteen opintoihin.
- 2011. Aloittaa konetekniikan opinnot Oulun yliopistossa. – Se tuntui sopivalta alalta.
- 2015. Diplomityöpaikat olivat kiven alla, sopiva projekti löytyi omalta professorilta. – Teräsvalmistaja SSAB:lle tehtiin lujista teräksistä valmistetun kyntöauran kehitystä.
- 2016. Keränen valmistuu DI:ksi, professori ehdottaa jatko-opintoja.
- 2025. Lassi Keräsen koneensuunnittelun väitöskirja ”Ultralujat teräkset kestävien koneiden suunnittelussa” hyväksytään Oulun yliopistossa.
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Haluan olla mukana yhä tehokkaampien ja kilpailukykyisempien koneiden suunnittelussa ja valmistuksessa.
Suosikkileikkikalu?
Puukko. – Mitä monikäyttöisin työkalu, voi askarrella kaikenlaista ja se käy tarvittaessa vaikka haarukan korvikkeeksi.
Lempiharrastus
Puu- ja metallikäsityöt, sulkapallo ja talvella moottorikelkkailu.
Puukonrakentaja opettaa ja tutkii
Väitöskirja valmistui. Mitä nyt on suunnitteilla?
– Olen opettanut koneensuunnittelua, sitä olisi tarkoitus jatkaa, tutkimuspuolta unohtamatta, Lassi Keränen kertoo.
Oulun yliopiston koneensuunnittelun ryhmä on kasvanut ripeästi vetäjänsä professori Emil Kurvisen johdolla. Uusia tutkimusaiheita ovat esimerkiksi vetytalous ja työkoneiden sähköistys.
– Voisi olla mukava kehittää jotakin tosielämän käyttökohdetta, esimerkiksi nosturia tai metsäkonetta, optimoida sen rakennetta, massaa ja kestoikää.
Lähivuosien toiveena on ura yliopistomaailmassa, jossa saa opettaa, ohjata diplomitöitä ja pääsee tekemään yhteistyötä alan yritysten kanssa.
Keräsen kiinnostus teräksiin on läsnä myös harrastuksissa. Ensimmäisen puukkonsa hän rakensi ekaluokkalaisena, ja kotona on useampi keskeneräinen puukko odottamassa viimeistelyä.