A.1 Kaarihitsauksen perusteet

Transkriptio

1 1 A.1 Kaarihitsauksen perusteet A.1.1 Sähköopin perusteet Mitä on sähkö? Aineen perusrakenne koostuu atomeista, jotka ovat erittäin pieniä. Atomiin kuuluu ydin ja sitä ympäröivä elektroniverho, jossa elektronit kiertävät ydintä määrätyillä kuorilla. Ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja sähköttömistä neutroneista. Nykyisen käsityksen mukaan protonit ja neutronit koostuvat edelleen pienemmistä rakenneosista. Ydintä kiertävät elektronit ovat sähköisesti negatiivisesti varautuneita. Tavallisesti atomilla on sama lukumäärä protoneja ja elektroneja. Tällöin esimerkkiset varaukset kumoavat toistensa vaikutukset ja atomi vaikuttaa ulospäin sähköttömältä eli neutraalilta. Jos sähköisesti neutraaliin atomiin tuodaan ylimääräinen elektroni, atomin sähköinen tasapaino järkkyy ja atomista tulee negatiivisesti varautunut ioni. Ulospäin atomi vaikuttaa negatiivisesti varautuneelta. Jos atomista poistuu elektroni, tulee atomista positiivisesti varautunut, koska siihen jää yksi protoni enemmän. Sähkövirta on elektronien virtaa miinusnavasta plusnapaan. Elektronivirran sijasta sähkön kulkua kuvataan sähkövirralla, jonka kulkusuunta on aikoinaan kuitenkin sovittu vastakkaisesti eli sähkölähteen plusnavasta miinusnapaan. Elektronivirran syntymisen edellytyksenä on elektroneihin kohdistuva sähköinen voima ja elektronien liikkumisen mahdollistava johdeaine. Tätä voimavaikutusta kutsutaan jännitteeksi. Virran syntyminen edellyttää siis jännitteen olemassaoloa. Tarvitaan esimerkiksi sähkölähde, joka saa elektronit virtaamaan virtapiirissä negatiivisesta navasta positiiviseen napaan. Hitsaustekniikassa sitä kutsutaan hitsausvirtalähteeksi, jota käsitellään erikseen kohdassa A.2 (Hitsauslaitteet). Sähkövirran generoiminen Sähköenergia tuotetaan yleensä sähkögeneraattorilla. Generaattorin käyttövoimana voi olla erilaisia laitteita, vesivoimalaitoksessa toimii vesiturbiini, joka muuttaa veden virtausenergian käyttöenergiaksi. Lämpövoimalaitoksessa ja atomivoimalaitoksessa lämpöenergia (öljystä, kivihiilestä, kaasusta, uraanista) muutetaan höyryn ja höyryturbiinin avulla generaattorin käyttövoimaksi. Luonnonkaasua käytetään myös suoraan kaasuturbiinin käyttövoimana pyörittämään generaattoreita. Tuulivoima on uusi energialähde jota ollaan kehittämässä. Aurinkoenergiaa ei Suomessa pystytä käyttämään suuremmissa määrissä, se soveltuu lähinnä pieniin, eristettyihin kohteisiin (esim. saaristoon), eräisiin huipputekniikan tarpeisiin avaruudessa. Sähkötekniikan perussuureet Sähkötekniikan kolme tärkeintä perussuuretta ovat virta, jännite ja resistanssi eli vastus. Sähkövirran tunnuksena käytetään kirjainta / ja sen yksikkö on ampeeri (A). Virran voimakkuus ilmaistaan siis ampeereina (A). Sähkövirran kulku edellyttää jännitettä, jonka tunnuksena käytetään kirjainta U. Jännitteen yksikkö on voltti (V). Ominaisuutta, jolla aine vastustaa sähkövirran kulkua, nimitetään resistanssiksi eli vastukseksi.

2 2 Resistanssin tunnus on R ja yksikkö on ohmi. Mitä pienempi resistanssin arvo on, sitä suurempi virta pääsee kulkemaan johtimen läpi. Eri aineet johtavat sähköä eri tavalla, koska vapaiden elektronien määrä ja niiden mahdollisuus liikkua aineissa vaihtelevat. Eri aineiden sähkönjohtavuuden vertailuun käytetään suuretta nimeltä resistiivisyys. Resistiivisyys ilmaisee, kuinka suuri resistanssi on määrätyn kokoisella kappaleella. Resistiivisyyden yksikkö on mm 2 /m ja suuretunnus kreikkalainen kirjain (roo). Mitä pienempi aineen resistiivisyyden arvo on, sitä parempi sähkönjohdin se on. Kuparin resistiivisyyden arvo on 0,0175 mm 2 /m. alumiinin 0,028 ja teräksen 0,10. Aineiden sähkönjohtokyvyn ilmaisemiseen käytetään resistiivisyyden rinnalla sen käänteisarvoa, jota nimitetään johtavuudeksi eli konduktiivisuudeksi. Tunnus on kreikkalainen kirjain (gamma) ja yksikkö on m/ mm 2. Hopean sähkönjohtavuus on suurin eli 62 m/ mm 2. Seuraavana tulee kupari, jonka sähkönjohtavuus on 57. Se on noin kuusinkertainen verrattuna teräkseen, jonka johtavuuden arvo on 10. Näiden sähkötekniikan perussuureiden, virran, jännitteen vastuksen, välillä on seuraava yhteys, jota kutsutaan Ohmin laiksi: I = R U U = I x R U (V) R = = ( ) I (A) Teho on tuttu käsite fysiikasta. Se määritellään aikayksikössä tehdyksi työksi. Tehon tunnus on P ja yksikkö watti (W): P = työw aika t ja tehon yksikkö on: P = (Ws) (J) (W) eli (J/s) (s) (s) Tehon yksikkö watti vastaa myös yksikköä joule per sekunti eli newtonmetri per sekunti (J) (Nm) 1 (W) = 1 = 1 (s) (s) Sähkötehon P yksikkö on myös watti (W). Usein käytetään myös tuhat kertaa suurempaa yksikköä kilowatti (kw). Teho on tasavirralla jännitteen ja virran tulo: P = U(V) x /(A) = (V) x (A) = (W) Vaihtovirralla laskentakaava on hiukan erilainen.

3 3 Fysiikassa työllä tarkoitetaan energian muuttumista muodosta toiseen. Energia merkitsee myös kykyä tehdä työtä. Energian ja työn tunnus on W ja yksikkö joule (J). Energia voi esiintyä mm. liikeenergiana, kemiallisena energiana ja sähköenergiana ja lämpöenergiana. Sähköenergia on sähkön tekemä työmäärä tietyssä ajassa tietyllä teholla. Yksikkönä on wattisekunti (Ws) eli työmäärä, jonka sähkö tekee yhden watin teholla yhdessä sekunnissa: W = /(A) x U(V) x t(s) eli P(W) x t(s) = (W) x (s) = (Ws) Tämä energian yksikkö vastaa myös yksikköä joule (J) ja newtonmetri (Nm): 1 (Ws) = 1 (J) = 1 (Nm) Hitsauksessa käytetään myös termejä hitsausenergia, kaarienergia ja lämmöntuonti kuvaamaan valokaaren tuottamaa lämpömäärää, ks. kohdat 1.14 (Hitsausenergia ja lämmöntuonti) ja (Valokaaren lämpötilat ja lämpöenergia). Hitsausenergia eli kaarienergia tarkoittaa näissä kohdissa hitsausenergiaa ilmaistuna hitsin pituusyksikköä kohti eli kj/mm: hitsausvirta (A) x kaarijännite (V) Hitsausenergia = 1000 x hitsausnopeus (mm/s) (kj/mm) Hitsausvirta voi olla tasa- tai vaihtovirtaa. Tasavirta on koko ajan saman suuntainen ja napaisuus on vakio. Tasavirran lyhenteenä käytetään usein englanninkielistä lyhennettä DC (direct current). Tasavirta voi olla myös sykkivää eli pulssivirtaa. Vaihtovirran suunta vaihtelee koko ajan. Virta vaihtaa suuntaansa tietyin väliajoin, jonka vaihteluväliä kutsutaan jaksoksi. Taajuudella tarkoitetaan jaksojen lukumäärää sekunnissa. Yleisimmin käytetyn vaihtovirran taajuus on 50 Hz (hertsi = jaksoa/sekunti). Vaihtovirrasta käytetään yleisesti myös sen englanninkielistä lyhennettä AC (alternating current). Yleensä vaihtovirran muoto on sinimuotoista, mutta usein nykyaikaisissa hitsauksen vaihtovirtalähteissä suorakaideaalto.

4 4 Hitsausvirtapiiri Kaarihitsaus perustuu sähkövirran käyttöön valokaaren aikaansaamiseen, jolla tuotetaan tarvittava hitsauslämpö. Hitsausvirtapiirin osat ovat virtalähde, hitsauskaapeli, elektrodi/hitsauslisäaine, valokaari, työkappale ja maadoituskaapeli, ks. kuva. Hitsausvirtalähde on energialähde, joka muuttaa sähköverkosta otetun sähkön hitsaukseen sopivaksi. Hitsausvirtalähteen napojen välillä on napajännite. Kun virtapiiri sulkeutuu, niin virta alkaa kulkea. Kaarihitsaukselle on ominaista suuri virta ja pieni jännite. Hitsausvirtapiirin jokainen osa aiheuttaa sähköistä vastusta virtapiiriin: kaapelit, liittimet, työkappale, elektrodi/lisäaine ja valokaari. Tästä syntyy jännitehäviöitä, mistä syystä jännite virtalähteen navoissa on suurempi kuin valokaaressa. Vastuksen suuruus riippuu mm. osan materiaalista, pituudesta ja poikkipinta-alasta. Hitsauksessa joudutaan usein mittaamaan virta ja jännite, koska monissa hitsaustöissä käytetään hitsausohjetta eli WPS. Siinä on annettu käytettävät virta- ja jännitearvot. Hitsauksen menetelmäkokeen suorituksesta mitataan ja kirjataan myös nämä hitsauksen sähköiset arvot, jotka tulevat myöhemmin laadittavan hitsausohjeen pohjaksi. Hitsausvirran ja jännitteen mittausta on käsitelty enemmän kohdassa A.7 (Hitsausparametrien tarkistus). Kaapelien pituudet Kaapelien aiheuttamat häviöt ilmenevät niiden lämpenemisenä. Häviöt ovat sitä suurempia, mitä pidempiä kaapelit ovat, mitä pienempi niiden poikkipinta-ala on ja mitä suurempi virta on, ks. kuva. Kuparikaapelien jännitehäviöitä. Pituus tarkoittaa hitsauskaapelin ja maadoituskaapelin yhteenlaskettua pituutta. Poikkipinta-alat: mm 2.

5 5 Tarvittava poikkipinta-ala A voidaan laskea myös kaavasta: A = I x L U x ρ (mm 2 ) I = hitsausvirta (A) L = kaapelien pituus (m) U = jännitehäviö (V) = sähkönjohtavuus (m/ mm 2 ) Kaapelin koon valinta riippuu suurimmasta hitsausvirrasta ja hitsauskoneen käyttösuhteesta, ks. taulukko. Hitsauskaapelien kuormitettavuus. Enimmäisvirta. Kaapelin poikkipinta-ala Käyttösuhde mm % 85 % 60 % 35 % A.1.2 Valokaari Mikä valokaari on? Kaarihitsauksessa muutetaan sähköenergia hitsauksessa tarvittavaksi lämmöksi valokaaren avulla. Valokaarella pystytään tuottamaan riittävän korkeita lämpötiloja ja lämpömääriä kaikkien materiaalien sulattamiseen. Koska valokaaren tehotiheys on suuri ja se on helppo aikaansaada, se on yleisin ja myös tärkein energialähde hitsauksessa. Valokaari on kaasussa tapahtuva sähköpurkaus, joka edellyttää kaarivälissä olevan riittävästi sähköisesti varautuneita hiukkasia. Sanastostandardi SFS 3054 käyttää valokaaren sijasta hitsauksen yhteydessä lyhyempää muotoa kaari. Standardin määritelmän mukaan "kaari on sähköinen valokaari hitsausta varten". Jos jännitteisessä virtapiirissä navat ovat hiukan toisistaan erillään, niin virta ei kulje ilmavälin kautta, koska ilma johtaa huonosti sähköä. Tietyillä edellytyksillä voidaan kuitenkin saada virta kulkemaan siinä. Tämä voi tapahtua, jos ilmaväli on hyvin kapea ja jännite riittävän korkea sekä lisäksi ilmaväli on tehty sähköä johtavaksi eli ionisoitu. Ilmassa on aina kuitenkin vähän sähköä johtavia hiukkasia, vaikka se on muuten huonosti sähköä johtava. Kun ne joutuvat hitsausvirtapiirin sähkökenttään, niin ne liikkuvat kohti vastakkaista napaa. Negatiivisesti varautuneet hiukkaset eli elektronit kulkevat kohti plusnapaa eli anodia ja positiivisesti varautuneet hiukkaset eli ionit kohti miinusnapaa eli katodia.

6 6 Elektronien liike-energia riippuu vallitsevasta jännitteestä. Ne törmäävät liikkuessaan kohti anodia kaasumolekyyleihin, joiden elektroninen tasapaino häiriintyy ja ne hajoavat atomeiksi. Tätä kutsutaan dissosiaatioksi. Törmäyksessä atomien kehältä irtoaa elektroneja, joista osa kulkiessaan kohti anodia törmää jälleen uusiin kaasuatomeihin. Näin prosessi jatkuu. Jäljelle jääneet atomit eivät ole enää neutraaleja, vaan ne omistavat positiivisen varauksen. Nämä ionit liikkuvat puolestaan kohti katodia. Ilmavälissä napojen väliseen sähkökenttään syntyy voimakas elektronien, ionien ja neutraalien atomien virta, ks. kuva. Tätä kaasun tulemista sähköä johtavaksi kutsutaan ionisoitumiseksi, minkä tuloksena virta alkaa kulkea hitsausvirtapiirin valokaaressa. Lisäksi metallikappale lähettää myös elektroneja, jotka ympäröivät metallia ohuena verhona eli elektronipilvenä. Sähkökentän vaikutuksesta ne liikkuvat kohti anodia edellyttäen, että rajapinnassa ylitetään kullekin metallille ominainen potentiaalivalli, jonka yksikkönä on elektronivoltti. Ylitys edellyttää joko korkeata lämpötilaa, voimakasta sähkökenttää tai säteilytystä. Anodilla ja katodilla elektronien ja ionien liike-energia muuttuu törmäyksessä lämmöksi. Kaarihitsauksessa voidaan erottaa kaksi erityyppistä valokaarta: valokaari sulamattoman elektrodin ja työkappaleen välillä: - TIG- ja plasmahitsaus valokaari lisäaineen ja työkappaleen välillä: - puikko-, MIG/MAG-, jauhekaari- ja kaasukaarimuottihitsaus. Virran kulku valokaaressa elektrodi kytkettynä miinusnapaan Valokaaren pituus eli kaaripituus vaihtelee suuresti prosessi- ja hitsausarvokohtaisesti. Se on tyypillisesti noin 1-10 mm. Esimerkiksi MAG-hitsauksessa 1,0 mm:n langalla ja seoskaasulla valokaaren pituus on eräiden mittausten mukaan noin 1-2 mm, kun hitsausvirta on A, ja noin 2-4 mm, kun virta on A. Todennäköisesti kaaripituus on käytännössä hiukan pidempi, koska valokuvauksella ei saada näkyviin aina koko pituutta. Osa siitä on piilossa hitsisulassa olevassa painumassa. Valokaaren sytytys Valokaari voidaan sytyttää koskettamalla virtaa johtavalla lisäaineella eli hitsauspuikolla tai hitsauslangalla tahi elektrodilla työkappaletta. Tätä kutsutaan ns. oikosulkusytytykseksi. Se voidaan sytyttää myös erillisen sytytyslaitteen avulla ilman kosketusta, mitä kutsutaan ns. kipinäsytytykseksi. Edellistä tapaa käytetään puikkohitsauksessa, MIG/MAG-hitsauksessa, jauhekaarihitsauksessa ja joskus myös TIG-hitsauksessa. TIG-hitsauksessa käytetään kuitenkin yleensä kipinäsytytystä. Virtaa johtavan lisäaineen koskettaessa työkappaletta hitsausvirtapiirissä tapahtuu oikosulku. Kosketuskohdassa syntyy paikallisesti erittäin suuria virtatiheyksiä, koska kosketuspinta on hyvin pieni. Tämä aiheuttaa voimakasta vastuskuumenemista ja sulamista sekä sulan metallin ylikuumenemista. Tästä syntyy metallihöyryjä, jotka ionisoituvat helposti. Kuuma katodipinta alkaa lähettää elektroneja. Oikosulkuhetkellä jännite putoaa erittäin lyhyeksi ajaksi lähes nollaan. Oikosulun jälkeen täytyy lisäainetta nostaa hieman ylöspäin, jolloin valokaari syttyy.

7 7 Kosketussytytystä ei yleensä käytetä, kun toisena napana on sulamaton volframielektrodi, kuten on esimerkiksi TIG-hitsauksessa. Silloin tarvitaan erityinen sytytyslaite ionisoimaan kaariväli, jotta valokaari syttyisi ilman elektrodin ja työkappaleen välistä kosketusta, koska elektrodi vaurioituu muuten herkästi. Sytytyslaitteita on toimintaperiaatteiltaan lähinnä kahta tyyppiä, vanhempi suurtaajuuslaite ja uudempi pulssigeneraattori. Pulssigeneraattori tuottaa napojen väliin lyhytkestoisen jännitekipinän, joka iskiessään elektrodista työkappaleeseen ionisoi kaarivälin kaasun ja valokaari syttyy. Kipinäjännitteen suuruus on 5-10 kv ja kesto joitakin mikrosekunteja. Sytytyslaite kytkeytyy pois päältä itsestään, kun valokaari on syttynyt. Vaihtovirran taajuus on normaalisti 50 Hz eli hertsiä. Virran suunta muuttuu koko ajan, yhden sekunnin aikana 100 kertaa. Vaihtovirtavalokaari eroaa oleellisesti tasavirtavalokaaresta, koska valokaari sammuu jokaisen vaihtovirran puolijakson lopussa. Jotta saataisiin aikaan käyttökelpoinen vakaa vaihtovirtavalokaari, on kaari saatava syttymänä kahdesti joka jakson aikana. Uudelleensyttyminen on mahdollinen, jos kaariväli on riittävästi ionisoitunut. Puikkohitsauksessa tähän riittää, että virtalähteen tyhjäkäyntijännite on riittävän suuri ja puikon päällyste sopivaa tyyppiä. Puhtaat emäspuikot, joiden päällysteessä on runsaasti vaikeasti ionisoituvia fluoriyhdisteitä, eivät täytä yleensä tätä edellytystä ja eivät siten sovi yleensä hitsattavaksi vaihtovirralla. Suorakaideaaltovirtalähteellä emäspuikot ovat kuitenkin hitsattavissa paremmin. Emäspuikoissa on myös vaihtovirralla hitsattavia laatuja, joiden päällysteeseen on lisätty myös helpommin ionisoituvia aineita. Alumiinin TIG-hitsauksessa vaihtovirralla käytetään kaaren sytyttämiseen sytytyslaitetta, joka antaa suurjännitteistä kipinää. Jos nollakohdan ylitys on kuitenkin riittävän nopea, voi kaaren uudelleensyttyminen tapahtua myös ilman kipinää. Tällainen ominaisuus on monissa nykyaikaisissa virtalähteissä, joissa vaihtovirran muoto on suorakaideaalto. A.1.3 Valokaari lämmönlähteenä Lämpötila on valokaaressa anodilla eli plusnavassa korkeampi kuin katodilla eli miinusnavassa, koska anodit kuumenee enemmän suurella nopeudella liikkuvien elektronien törmätessä siihen ja koska katodilla kuluu osa tehosta elektroniemission synnyttämiseen. Anodin ja katodin lämpötilat riippuvat mm. kaarityypistä, suojakaasusta ja päällystetyypistä. Niiden lämpötilat ovat noin o C. Anodin eli plusnavan lämpötila on yleensä noin 500 o C korkeampi kuin katodin eli miinusnavan. Tämä koskee sulamattoman elektrodin ja työkappaleen välillä palavaa valokaarta. Kun toisena napana on sulava lisäaine, niin tilanne voi olla toinen. Valokaaren ytimen lämpötila on yleensä huomattavasti korkeampi kuin napojen lämpötila. Valokaaren ytimen lämpötila on puikkohitsauksessa noin o C, jauhekaarihitsauksessa luokkaa o C, MIG-hitsauksessa yli o C, TIG-hitsauksessa noin o C ja plasmahitsauksessa yli o C. Kaasuhitsauksessa kaasuliekin lämpötila on kuumimmassa kohtaa vain vähän yli o C. Teräksen hitsisulan pintalämpötila on riippuen mm. prosessista ja suojakaasusta noin o C. Sulan metallipisaran lämpötila on hiukan korkeampi, noin o C. Pisaran lämpötila riippuu mm. hitsausprosessista, lisäaineesta, suojakaasusta, napaisuudesta, hitsausarvoista ja langanhalkaisijasta. Lämpötiloille ei löydy mitään tarkkoja lukuarvoja, koska ne riippuvat monesta tekijästä ja lisäksi niiden mittaaminen on melko vaikea tehtävä. Teräksen valmistuksessa lämpötilat sulatusuunissa ovat matalampia, noin o C. Näitä lämpötiloja voidaan verrata esimerkiksi raudan ja seostamattoman teräksen arvoihin. Raudan sulamispiste on o C ja kiehumispiste on o C. Seostamattoman teräksen sulamisalue on o C. Lämpötila valokaaressa ylittää raudan kiehumispisteen. Tämä aiheuttaa myös osittain aineen höyrystymistä, mikä synnyttää puolestaan huuruja.

8 8 Metallin aika sulassa tilassa riippuu mm. hitsisulan koosta, joka riippuu puolestaan mm. hitsausprosessista ja hitsausenergiasta. Se on yleensä luokkaa 1-10 s. A.1.4 Valokaaren teho Kaarihitsauksessa lasketaan hitsausvirran I ja kaarijännitteen U avulla teho eli kaariteho seuraavasti: P = I x U(W) Tällä ilmaistaan tuotettua lämpötehoa. Sen avulla lasketaan yleensä hitsausenergia eli kaarienergia, joka ilmaistaan hitsin pituusyksikköä kohti. Tämä lasketaan seuraavasti: E = I x U 1000 x v (kj/mm) A = hitsausvirta (A) U = kaarijännite (V) v = hitsausnopeus (mm/s) Koko kaariteho ja kaarienergia ei suinkaan siirry lämpöenergiana hitsiin, vaan osa menee mm. säteilynä, johtumina ja roiskeina ympäristöön sekä kuluu suojakaasun lämmittämiseen ja TIG-hitsauksessa elektrodin kuumenemiseen. Hitsiin siirtyvän lämpöenergian ja hitsauksen sähköisistä arvoista lasketun kaarienergian suhdetta nimitetään termiseksi hyötysuhteeksi. Standardin SFS-EN 1011 mukaan terminen hyötysuhde MIG/MAG- ja puikkohitsauksessa on 80 % ja TIG-hitsauksessa 60 %. Se on MIG/MAG-hitsauksessa selvästi korkeampi kuin TIG-hitsauksessa, koska lisäainelanka sulaa ja pisaroiden mukana siirtyy myös paljon lämpöä hitsisulaan. TIG-hitsauksessa energiaa kuluu myös elektrodin kuumenemiseen. Lämpöteho jakaantuu esimerkiksi puikkohitsauksessa eri kohteisiin, ks. kuva. A.1.5 Hitsien perussanasto Lämpöteho puikkohitsauksessa Hitsauksen yhteydessä sulassa tilassa ollut aine kutsutaan hitsiaineeksi. Yksinomaan lisäaineesta muodostunut hitsiaine kutsutaan puhtaaksi hitsiaineeksi. Hitsiaine, joka muodostuu yhdellä kerralla hitsattaessa työkappaleen päästä päähän kutsutaan paloksi. Yhden tai useamman vierekkäisen palon muodostama hitsiainekerros kutsutaan palkokerrokseksi. Palkojärjestyksellä tarkoitetaan järjestys, jossa palot hitsataan. Ensimmäinen railoon hitsattu palko monipalkohitsissä kutsutaan pohjapaloksi. Palko, joka jää hitsin pintaan kutsutaan pintapaloksi. Pohjapalon ja pintapalon väliset palot ovat välipalkoja.

9 9 Hitsillä on kaksi puolta, juuren puoli ja pinnan puoli. Hitsin juurella tarkoitetaan aluetta päinvastaisella kuin mistä hitsaaminen on tapahtunut. Se osa hitsiainetta, joka ylittää perusaineen kutsutaan kuvuksi. Juuren puolella se kutsutaan juuren kuvuksi. Hitsin ja perusaineen liittymäviiva kappaleen pinnassa kutsutaan hitsin rajaviivaksi. Se osa perusainetta, joka on sulanut hitsauksen aikana kutsutaan sulamisvyöhykkeeksi. Sulamisvyöhykkeen paksuus railon kyljestä mitattuna kutsutaan sulatunkeumaksi (1). Yhdellä hitsauskerralla aikaansaatu sulamisvyöhykkeen syvyys kutsutaan sulamissyvyydeksi (3). Hitsin paksuus railon kohdalla mitattuna perusaineen pinnan tasosta kutsutaan hitsautumissyvyydeksi (2). 2,3 A.1.6 Hitsausprosessit Yleistä Hitsausprosessit ryhmitellään kahteen ryhmään: - Puristushitsaus: Hitsaus, jossa hitsi saadaan aikaan puristamalla osien liitospinnat toisiinsa mahdollisesti kuumennusta käyttäen. - Sulahitsaus: Hitsaus, jossa hitsi saadaan aikaan ilman puristusta sulattamalla osien liitospinnat käyttäen tai käyttämättä lisäainetta. Standardissa SFS-EN ISO 4063, jossa annetaan numerotunnukset hitsausprosesseille. Siinä on yksittäisiä hitsausprosesseja noin 70 kappaletta. Tärkein ja laajin prosessiryhmä on kaarihitsaus, jossa käytetään valokaarta hitsauslämmön lähteenä. Tavallisimmat kaarihitsausprosessit ovat puikkohitsaus (numerotunnus 111), MIG/MAGhitsaus (numerotunnus 13) ja TIG-hitsaus (numerotunnus 141).

10 10 Puikkohitsaus Puikkohitsaus on metallikaarihitsausta hitsauspuikolla ilman ulkoista suojaa hitsaustapahtumalle. Valokaari palaa puikon pään ja hitsisulan (työkappaleen) välillä. Sydänlanka sulaa ja sula metalli siirtyy pisaroina hitsisulaan. Tämän lisäksi siirtyy metallia vielä höyryn muodossa. Puikon päällyste sulaa hieman jäljessä sydänlangasta ja siitä syntyvät kaasut ja nestemäinen kuona suojaavat hitsaustapahtumaa. Kuona jähmettyy hitsin päälle kiinteäksi kerrostumaksi, joka muotoilee hitsin ja estää sen hapettumista. Kuona poistetaan hitsin pinnalta jälkeenpäin. MIG/MAG-hitsaus MIG/MAG-hitsaus on kaasukaarihitsausprosessi, jossa valokaari palaa suojakaasun ympäröimänä hitsauslangan ja hitsisulan (työkappaleen) välillä. Sula metalli siirtyy pisaroina langan kärjestä hitsisulaan. Hitsauslankaa syötetään koneellisesti langansyöttölaitteen avulla tasaisella nopeudella. Hitsausvirta tulee virtalähteestä monitoimijohdossa kulkevaa virtajohdinta myöten hitsauspistoolin kosketusuuttimeen, jossa se siirtyy hitsauslankaan. Suojakaasu suojaa kaaritilaa ja hitsisulaa ympäröivältä ilmalta. MAG tulee sanoista Metal Activ Gas ja tarkoittaa, että kaasu osallistuu aktiivisesti hitsaustapahtumaan ja antaa mm. paremman tunkeuman. Yksi aktiivikaasu on hiilidioksidi (CO2) MIG tulee sanoista Metal Inert Gas ja tarkoitaa, että kaasu ei osallistu mitenkään hitsaustapahtumaan. Ainoa tehtävä on suojata hitsiä. Näitä jalokaasuja ovat Argon (Ar) ja Helium (He). Heti kun kaasu sisältää pienenkin osan aktiivista kaasua, kysymyksessä on MAG-hitsaus.

11 11 TIG-hitsaus Volframikaasukaarihitsaus eli TIG-hitsaus on kaasukaarihitsausprosessi, jossa valokaari palaa sulamattoman volframielektrodin ja hitsisulan (työkappaleen) välillä suojakaasussa. Ilman pääsy hitsisulaan estää inertti suojakaasu, jona käytetään argonia tai heliumia. Suojakaasu suojaa myös kuuman elektrodin kärjen hapettumiselta. Valokaari sulattaa työkappaletta hitsauskohdan alueelta, johon muodostuu näin hitsisula. Käsinhitsauksessa tuodaan erikseen lisäainetta toisella kädellä hitsisulaan. TIG-valokaarella voidaan myös lämmittää ja hitsata pelkästään sulattamalla perusainetta tuomatta siihen lisäainetta. A.1.7 Hitsausaineet Puikkohitsaus Hitsauspuikot Hitsauspuikon muodostavat sydänlanka ja päällyste. Puikon halkaisija Merkki Päällyste Rautajauhe, Kalkki, Selluloosa jne. OK Kärki - joissakin puikoissa grafiittia helpottamassa sytytystä Sydänlanka - Kiinnityspää Sydänlanka on metallia, se voi olla, esim.: seostamatonta terästä niukkaseosteista terästä ruostumatonta terästä nikkeliä kuparia pronssia alumiinia valurautaa

12 12 Puikkojen koko ilmoitetaan mm:eissä sydänlangan halkaisijan mukaan. Käytettyjä halkaisijoita ovat 1.6, 2.0, 2.5, 3.2, 4.0, 5.0, 6.0 ja 7.0. Puikon pituus on sovitettu sydänlangan ja päällysteen virran kestävyyden mukaa. Seuraavia pituuksia käytetään: 300, 350 ja 450 mm. Puikon päitä nimitetään varreksi ja kärjeksi. Eräissä puikoissa kärki voi olla grafiittipäällystettä sytytyksen helpottamiseksi. Päällyste koostuu erilaisista mineraaleista, kuten kalkkikivestä, rutiilihiekasta, maasälvästä, piistä ym. Eräissä tapauksissa myös rautaa tai muita metallipulvereita on sekoituksessa. Sideaineina käytetään liisteriä ja vesilasia. MIG/MAG-hitsaus Lisäaine MIG/MAG hitsauksessa käytettään lisäaineena umpilankaa tai täytelankaa. Lisäaine toimii kuten puikkohitsauksessakin virranjohtimena. Umpilanka voi koostua eri metalleista tai seoksista ja tavallisimmat metallit/seokset MIG/MAG hitsauksessa ovat: seostamaton teräs niukkaseosteinen teräs ruostumaton teräs kupari pronssi alumiini Langan mitat ilmoitetaan mm:ssä halkaisijan mukaan. Umpilankojen halkaisijat ovat: Ø 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, ja 1.6 mm ja täytelankojen 1.2, 1.4, 1.6, 2.0 ja 2.4 mm. Lankojen pituudet riippuvat rullien/kelojen koosta. 15 kg:n kela, jossa on Ø 0.8 mm:n lankaa sisältää noin 2500 metriä lankaa. Täytelangassa voi olla erilaisia täytteitä, kuten jauhetäyte tai metallitäyte. Suojakaasu Hitsausprosessin suojaamiseksi haitallisilta ilmassa esiintyviltä komponenteilta tarvitaan suojakaasu. Se voi olla inertti tai aktiivi kaasu tai useamman kaasun yhdistelmä. Tavallisimmin käytetyt kaasut ovat Argon (Ar) ja Hiilidioksidi (CO2) tai näiden seos. Toinen MIG hitsauksessa käytetty inertti kaasu on Helium (He). Muistettava: MIG/MAG-hitsauksessa suojakaasun tehtävänä on estää ilman/ympäristökaasujen pääsy hitsausprosessiin. Se ei poista työkappaleella olevia epäpuhtauksia. TIG-hitsaus Lisäaine TIG-hitsauksessa käytetään määrämittaisia lisäainelankoja (hitsaussauvoja). Ne valmistetaan valssilangasta vetämällä, katkomalla ja oikaisemalla. Langat syötetään käsin, eivätkä näin olle toimi virranjohtimina. Mekanisoidussa TIG-hitsauksessa voidaan käyttää lisäaineena kelalla olevaa hitsauslankaa.

13 13 Hitsauslanka on yleensä umpinaista, mutta markkinoille on myös tulossa täytelankoja. Hitsauslankojen mitat on esitetty standardissa SFS-EN 759. Tavanomaisin pituus on 1000 mm. Yleisimmät halkaisijat ovat 1.6, 2.0, 2.4 ja 3.0 mm. Suojakaasu TIG-hitsauksessa volframielektrodin kestävyys rajoittaa suojakaasuvaihtoehdot inertteihin kaasuihin (argon ja helium). Argon on yleisimmin käytetty suojakaasu. Sillä on hyvät hitsaustekniset ominaisuudet: hyvä suojausvaikutus, vakaa valokaari (myös vaihtovirralla) ja helppo valokaaren syttyminen. Se on painavampi kaasu kuin helium. Heliumille on ominaista argonia korkeampi kaarijännite ja siitä johtuva suurempi hitsausenergia ja tunkeuma. Ominaisuutta voidaan hyödyntää suurempana hitsausnopeutena ja pienempänä esikuumennustarpeena hyvin lämpöä johtavilla materiaaleilla, esim. alumiini ja kupari. A.1.8 Aineensiirtyminen, hitsiaine MIG/MAG-hitsaus Aineensiirtyminen valokaaressa Nykyaikaisilla hitsauslaitteilla aineensiirtyminen langasta sulaan tapahtuu pääasiallisesti kahdella eri tavalla: lyhytkaarella kuumakaarella Lyhytkaarihitsaukselle on ominaista, että langan kärkeen muodostuu pisara. Kun pisara on saavuttanut oikean koon, se kuristuu ja imeytyy sulaan. Pisaran koko riippuu sähköpiirin induktanssista. Kuumakaarihitsauksessa sovelletaan huomattavasti suurempia parametriarvoja (virta / jännite / induktanssi). Tästä seuraa, ettei muodostu pisaraa, vaan sula materia siirtyy pienten pisaroiden muodostaman suihkun muodossa. Sekakaarialueeksi kutsutaan aluetta, joka sijaitsee lyhytkaari- ja kuumakaarialueiden välissä. Tälle alueelle on tunnusomaista epästabiili valokaari, jossa esiintyy isoja, epäsäännöllisiä, oikosulkuja aiheuttavia pisaroita. Sekakaarialueella suoritettu hitsaus aiheuttaa paljon hitsausroisketta eikä sitä tavallisesti suositella.

14 14 Pulssikaarihitsaus voidaan yksinkertaistettuna kuvata lyhytkaari- ja kuumakaari hitsauksen sekoituksena. Se säädetään siten, että parametrit vaihtelevat suurien arvojen (jolloin lisäaine sulaa irti ) ja pienten arvojen (jolloin pelkästään valokaari palaa) välillä. Tällä tavalla hitsaaja saa sulan paremmin hallintaansa. Prosessia ohjaa suuri määrä parametrejä, jotka ovat hyvin vaikeasti käsin asetettavissa. Tähän tarvitaan mikroprosessori, joka voi sovittaa yhteen kaikki vaadittavat parametrit. Edellä mainittujen prosessien lisäksi on käytössä vielä kaksi, pääosin mekanisoitua kaarihitsausprosessien muunnoksia, jotka on kehitetty tehokkuuden lisäämiseksi. TIG-hitsaus Käsivaraisessa TIG-hitsauksessa lisäaine tuodaan käsin. Hyvän hitsin aikaan saamiseksi on tärkeätä, että kulma elektrodin ja lisäaineen välillä on oikea. Lisäaine tuodaan hitsauksessa suoraan hitsisulan etureunaan (ei päälle). Lisäaineeseen tulee oksideja jos lisäaine joutuu kaasusuojauksen ulkopuolelle. Tällä on erityistä haittaa hitsattaessa ruostumatonta terästä, alumiinia ja titaania, jolloin syntyy oksidisulkeumia. A.1.9 Hitsisulan muotoilu Hitsisulalla tarkoitetaan hitsauksen aikana sulassa tilassa oleva aine ennen hitsin jäähtymistä.