HITSAUSSUOJAKAASUJEN TEHOKAS JA TALOUDELLINEN KÄYTTÖ

Transkriptio

1 HITSAUSSUOJAKAASUJEN TEHOKAS JA TALOUDELLINEN KÄYTTÖ Kalevi Korjala Copyright 2007 Kalevi Korjala

2 1. JOHDANTO HITSAUSSUOJAKAASUT Hitsaussuojakaasujen merkitys hitsauksessa Hitsauksessa käytettävät suojakaasut ja niiden ominaisuudet Suojakaasujen luokittelu Argon Helium Hiilidioksidi Happi Typpi Vety Seoskaasut Kaasujen ominaisuudet, taulukko Suojakaasujen puhtaus ja sekoitustarkkuus ERI HITSAUSMENETELMÄT JA NIISSÄ KÄYTETTÄVÄT SUOJAKAASUT MIG/MAG-hitsaus MAG-täytelankahitsaus CMT-menetelmä Kaarityypit ja roiskeet eri suojakaasuilla Tunkeuma Suojakaasujen virtaus- ja kulutusmäärät Valintataulukko MIG/MAG-suojakaasuille TIG-hitsaus TIG-hitsauksen prosessisovellutuksia Suojakaasut TIG-hitsauksessa Suojakaasun virtaus Valintataulukko TIG-suojakaasuille Plasmahitsaus Plasmahitsauksen eri muodot Plasma- ja suojakaasut Valintataulukko plasmahitsauksen kaasuille. 42

3 3.4 Laserhitsaus Laserhitsauksen suojakaasut Laser-MIG/MAG-hybridihitsaus Suojakaasut laser-mig/mag-hybridihitsauksessa MIG-juotto Juuren suojauksen kaasut SUOJAKAASUJEN VALMISTUS JA TOIMITUSMUODOT Suojakaasujen toimitusyksiköt Korkeapaineiset kaasupullot ja pullopatterit Nestemäisten kaasujen toimitusyksiköt Suojakaasujen valmistus Pullot ja pullopatterit Käyttöpaikalla valmistus Toimitusmuoto käyttömäärään verrattuna Suojakaasun syöttö hitsaustapahtumaan Suojakaasun talteenotto ja kierrätys SUOJAKAASUN VAIKUTUS HITSAUKSEN TUOTTAVUUTEEN JA TALOUDELLISUUTEEN Vaikutukset tuottavuuteen Hitsauksen kustannukset Suojakaasun valinnasta aiheutuvat kustannukset Suojakaasukustannukset HITSAUSSUOJAKAASUT JA TYÖTURVALLISUUS Hitsauspaikka Suojakaasut ja pikaliittimet Hitsaussavut ja suojakaasut Hitsaussavu Kaasumaiset aineet 92 LÄHDELUETTELO 97

4 1 1. JOHDANTO Hitsaussuojakaasujen merkitys osana laadukasta, tuottavaa ja taloudellista hitsausjärjestelmää korostuu tämän päivän kovassa kilpailutilanteessa konepajateollisuudessa. Tehokkaat järjestelmät ja oikea toiminta mahdollistavat menestymisen. Hitsaussuojakaasuissa parhaiten soveltuvan kaasun valinnalla ja sen oikealla toimitustavalla ja määrällä hitsaustapahtumaan on selkeä merkitys laatuun, tehokkuuteen ja taloudellisuuteen. Vuodot hukkaavat suuria rahasummia yritysten kassoista. Toimitusjärjestelmissä käytettävä paras mahdollinen tekniikka ja järjestelmällinen huolto- ja kunnossapito-ohjelma ovat menestyjien perustyökaluja. Itse suojakaasun välittömät kustannukset eivät useinkaan ole merkittäviä kulueriä yrityksen raakaaineostoista, mutta huomioiden mahdolliset väärät valinnat, toimintatavat ja välilliset kustannukset, syntyy merkittävä kuluerä, jonka arvo paremmin toimien voitaisiin siirtää yrityksen kehittämiseen ja kilpailukykyyn. Hitsaus on valmistusprosessin osa, jolla lopputuloksen kannalta on suuri merkitys. Hitsausprosessin onnistumisessa suojakaasulla on oma, tärkeä osansa, jota ilman työ ei onnistu. Hitsaussuojakaasut ovat osaltaan vaikuttamassa konepajojen työturvallisuuteen. Niillä voidaan saada selkeitä parannuksia, mutta väärin ja ohjeiden vastaisesti toimien ne saattavat olla myös turvallisuusriskinä.

5 2 2. HITSAUSSUOJAKAASUT 2.1 Hitsaussuojakaasujen merkitys hitsauksessa Suojakaasuja tarvitsevia hitsausmenetelmiä ovat kaasukaarihitsausprosessit (MIG/MAG-, TIG- ja plasmahitsaus), laserhitsaus sekä näiden yhdistelmät eli hybridihitsausmenetelmät sekä MIG-juotto. Suojakaasun perustehtävänä on suojata hitsisulaa ja kuumentunutta sulaa metallia ympäröivän ilman vaikutukselta ja tarjota valokaaren palamiselle mahdollisimman edulliset olosuhteet, kuva 1. Hitsausta ympäröivästä ilmasta ovat hitsaustapahtumaan vaikuttamassa happi, typpi ja kosteus, jotka hitsisulaan päästessään aiheuttavat laatuongelmia. Hitsaustapahtumaa suojaavalla kaasulla vaikutetaan hyvin moniin hitsin ominaisuuksiin, joilla on merkitystä työn suorittamiseen ja laatuun. Tällaisia ominaisuuksia ovat: - valokaaren syttyminen - valokaaren rauhallisuus ja tasaisuus - hitsausnopeus - hitsiprofiilin muoto - lisäaineen siirtyminen - lisäaineen pisarakoko - tunkeuma - hitsin ulkonäkö - roiskeiden määrä ja koko - hitsaushuurujen määrä - hitsin metallurgiset ominaisuudet - hitsin mekaaniset ominaisuudet - lämmöntuonti - hitsausmuodonmuutokset - hitsausjännitykset - hitsaustapahtuman ympäristövaikutukset - työturvallisuus

6 3 - tuottavuus - hitsauskustannukset Kuva 1. Suojakaasun vaikutukset kaasukaarihitsauksessa 2.2 Hitsauksessa käytettävät suojakaasut ja niiden ominaisuudet Suojakaasujen luokittelu Suojakaasut luokitellaan SFS-EN 439 standardin mukaisesti kaasujen ominaisuuksien perusteella seitsemään pääryhmään: - R pelkistävä kaasu - I inertti kaasu - M1, M2 ja M3 hapettavat kaasut - C voimakkaasti hapettava kaasu - F reagoimaton kaasu Pelkistäväksi kaasuksi määritetään vety, inerttejä kaasuja ovat argon ja helium, hapettavia tai voimakkaasti hapettavia kaasuja ovat argon+hiilidioksidi tai

7 4 argon+happi-seoskaasut sekä hiilidioksidi. Reagoimattomaksi kaasuksi määritetään typpi Argon (Ar) Historia Kuva 2. Argonatomi Argon löydettiin 1894 Skotlannissa Sir William Ramsayn ja Lordi Rayleighin toimesta. Argon tulee kreikankielisestä sanasta argos, joka tarkoittaa ei aktiivista. Ominaisuudet Argonia on ilmassa 0,934 tilavuusprosenttia. Se on hajuton, väritön ja mauton kaasu. Turvallisuusominaisuuksiltaan argon on tukahduttava. Argon on inertti jalokaasu, jolla on suuri atomipaino (39,9 g/mol) ja suuri tiheys. Näistä ominaisuuksista johtuen sillä on hyvä suojavaikutus hitsauksessa ja sen takia argonista on tullut tärkeä suojakaasu, jota käytetään jonkin verran yksin, lähinnä kevytmetallien hitsauksessa, mutta pääsääntöisesti pääkomponenttina seoskaasuissa, joihin sekoitetaan yhtä tai useampaa muuta kaasua. Argonilla on alhainen ionisoitumisenergia. Ionisoitumisenergia on energia, joka vähintään tarvitaan elektronin irrottamiseksi atomista tai molekyylistä. Argonin alhainen ionisoitumisenergia takaa hyvän valokaaren syttyvyyden. Argonin suuri atomipaino merkitsee pientä metallihöyryjen diffuusionopeutta valokaareen, jolloin siihen syntyy keskitetty, pienellä poikkipinta-alalla oleva kaariplasma. Virtatiheys valokaaressa on suuri. Suuri atomipaino ja tiheys mahdollistavat hyvän hitsin suojauskyvyn pienillä virtausmäärillä ja lisäaineen siirtyminen on suihkumaista alhaisillakin virta-arvoilla.

8 5 Seostamatonta terästä hitsattaessa puhtaalla argonilla syntyy rauhaton valokaari elektronien pyrkiessä irtautumaan oksidista, josta irtoaminen helpoiten tapahtuu. Mikäli sulan pintaan ei tule tasaista oksidikerrosta, vaeltaa valokaari oksidipisteestä toiseen, kaasusuojaus häiriintyy ja ilma pääsee vaikuttamaan sulaan synnyttäen epäsäännöllisen hitsipalkon. Stabiilisuutta voidaan parantaa sekoittamalla argoniin pieni määrä happea (1..10%) tai hiilidioksidia (1 18 %). Kuumakaarialueelle päästään helpoiten pitämällä hapettavien komponenttien (O 2 ja CO 2 ) määrä pienenä. Argonilla on huono lämmönjohtavuus, mistä johtuu se, että hitsin tunkeumakuviosta tulee sormimaisen kapea aiheuttaen liitosvirheen riskin kasvun varsinkin paksummilla materiaaleilla. Valmistus Argonia valmistetaan ilmakaasutehtaissa, joissa ilman eri osakomponentit typpi, happi ja argon erotetaan toisistaan tislausprosessissa. Komponentit saadaan erilleen perustuen niiden erilaisiin kiehumispisteisiin. Argonin kiehumispiste on 185,9 C (1 bar, 15 C). Argon erotetaan tislausprosessissa happikolonnasta ja puhdistetaan kahdessa eri vaiheessa poistaen siitä happi. Puhtaan nestemäisen argonin happi- ja kosteuspitoisuudet ovat tyypillisesti alle 3 ppmv. Koska argonia on vain alle 1 tilavuusprosenttia ilmassa, on argon typpeen ja happeen verrattuna monta kertaa kalliimpaa. Argonin hyvien suojausominaisuuksien ja reagoimattomuuden takia siitä on tullut tärkein hitsaussuojakaasu sekä peruskaasu seoskaasuissa. Toimitusmuoto Argonia toimitetaan kaasumaisena korkeapaineisissa kaasupulloissa tai 12 pullon pullopattereissa (200 tai 300 bar) sekä nestemäisessä muodossa vuokra- tai asiakassäiliöihin.

9 Helium Historia Kuva 3. Heliumatomi Helium löydettiin Löytäjinä olivat Sir William Ramsay, Nils A. Langley ja Peter Theodor Cleve. Ensimmäiset todisteet heliumin olemassaolosta keksi ranskalainen astrologi Pierre Jules Cecár Jansen ( ) auringonpimennyksen yhteydessä 1868 Intiassa, jolloin hän havaitsi uuden, keltaisen ääriviivan auringon spektrissä. Laboratoriossa ei ollut mahdollista saada aikaan tätä ääriviivaa spektriin, ja englantilainen astrologi Norman Lockyer ( ) havaitsi, että mikään siihen aikaan tunnettu aine ei antanut tätä spektrin ääriviivaa, joten hän nimesi sen siksi auringon heliumiksi. Helium tulee kreikankielisestä sanasta helios, joka tarkoittaa aurinkoa Sir William Ramsay löysi yhdessä kollegojensa Sir William Crooksin ja Sir Norman Lockyerin kanssa heliumin uraanimineraalista, josta sen myös suunnilleen samoihin aikoihin löysivät Cleve ja Langley. Ominaisuudet Helium on väritön, hajuton ja mauton, inertti jalokaasu, jolla on alhainen atomipaino (4 g/mol) ja pieni tiheys. Turvallisuusominaisuuksiltaan helium on tukahduttava. Heliumilla on korkea ionisoitumisenergia, mistä johtuen valokaaren syttyminen on vaikeaa ja katodipiste pyrkii vaeltamaan. Lisäksi valokaari on epävakaa. Heliumin pieni atomipaino merkitsee sitä, että metallihöyryt pääsevät helposti jakautumaan koko valokaareen.

10 7 Heliumilla on hyvä lämmönjohtavuus. Hyvän lämmönjohtavuutensa ansiosta helium on suojakaasuna parhaimmillaan suuren hitsausnopeuden vaatimissa automatisoiduissa menetelmissä, paksujen materiaalien hitsauksessa sekä materiaaleissa, joilla on suuri lämmönjohtavuus ja korkea sulamislämpötila. Helium lisää kaarijännitettä mahdollistaen suuremman hitsausnopeuden sekä auttaen sulassa olevien kaasujen poistumista ennen jähmettymistä vähentäen näin huokoisuutta. Koska helium on kevyttä, heikentää tämä ominaisuus sen suojauskykyä, minkä takia saman suojakyvyn saamiseksi heliumilla joudutaan käyttämään kaksin-kolminkertaista kaasuvirtausmäärää verrattuna argoniin tai argonseoksiin. Valmistus Heliumia on ilmakehässä n. 5 ppmv, ja sen talteenotto siitä ei ole taloudellista. Helium otetaan talteen suurista maakaasuesiintymistä ja pääasiallisesti paikoista, joissa maakaasu nesteytetään. Heliummäärä maakaasussa vaihtelee eri puolilla maailmaa ollen parhaimmillaan n. 0,5 tilavuus-% (5000 ppmv). USA:ssa on löydetty joitakin pieniä lähteitä, joissa heliumpitoisuus on ollut jopa 7 %. Heliumin talteenotto tapahtuu niin, että maakaasu nesteytetään n C:ssa, minkä jälkeen siinä jäljellä olevasta kaasusta poistetaan typpi joko molekyyliseula- tai nesteytysprosessilla ja kaasumainen helium nesteytetään. Heliumin kiehumispiste on 268,9 C eli vain n. 4 astetta absoluuttisesta nollapisteestä. Nesteytysprosessin kautta valmistettu helium on erittäin puhdasta, jossa epäpuhtausmäärät ovat alle 1 ppmv. Heliumin talteenottolaitoksia on koko maailmassa alle 10 kpl ja nestemäistä heliumia kuljetetaan pitkiä matkoja erikoisvalmisteisissa tyhjöeristetyissä säiliökonteissa. Toimitusmuoto Harvinaisuutensa vuoksi helium on kallista ja hitsauksessa sitä useimmiten käytetään argoniin sekoitettuna osakomponenttina. Hitsaussuojakaasusovelluksiin

11 8 heliumia toimitetaan kaasumaisena korkeapaineisissa irtopulloissa tai pullopattereissa (200 tai 300 bar) Hiilidioksidi (CO ) 2 Historia Kuva 4. Hiilidioksidimolekyyli Hiilidioksidi tunnistettiin ja sen ominaisuuksia alettiin tutkia 1750-luvulla skottilaisen fyysikon Josef Blackin toimesta Josef Priestley valmisti ensimmäisen kerran soodavettä käyttäen rikkihappoa ja kalsiumkarbonaattia. Hiilidioksidia nesteytettiin ensimmäisen kerran 1823 Humphrey Davyn ja Michael Faradayn toimesta. Ensimmäisen kerran hiilidioksidijäätä saatiin aikaan 1834, jolloin Charles Thillorier avasi paineistetun hiilidioksidisäiliön saaden hiilidioksidin jäätymään paineen laskettua alle 5 barin. Ominaisuudet Hiilidioksidi on yhden hiiliatomin ja kahden happiatomin molekyyli. Hiilidioksidi on väritön, mauton, lievästi tuoksuva kaasu. Turvallisuusominaisuuksiltaan se on tukahduttava. Sillä on suuri atomipaino (44 g/mol) ja suuri tiheys, minkä takia sen hitsaussuojavaikutus on hyvä. Hiilidioksidi on aktiivinen, reagoiva suojakaasu, jolla on hapettava vaikutus. Hiilidioksidi hajoaa valokaaressa osittain osakomponentteihinsa. Hiilidioksidilla on hyvä lämmönjohtokyky johtuen sen osittaisesta hajoamisreaktiosta valokaaressa. Hiilidioksidin hajotessa syntyvä kaasun tilavuuden nousu saa aikaan paremman hitsisulan suojauksen, ja kaaripaineen nousu taas kasvattaa sivutunkeumaa ja hitsikupua. Hiilidioksidin hajoaminen valokaaressa on endoterminen (lämpöä sitova) reaktio vaatien energiaa, mutta kauempana valokaaresta hajotetut atomit yhtyvät toisiinsa uudelleen eksotermisellä eli lämpöä luovuttavalla reaktiolla. Hitsiin tällä tavoin

12 9 tuleva lisälämpö jälkilämmittää sitä, jolloin sulassa olevat kaasut pääsevät paremmin pois ennen sen jähmettymistä vähentäen tätä kautta hitsin huokoisuutta. Hiilidioksidi kasvattaa kaarijännitettä, aikaansaa suurialaisen sulan ja muodostaa paljon savua hitsauksen aikana. Hiilidioksidia käytettäessä valokaaren käyttäytyminen on myös epävakaata. Puhdasta hiilidioksidia suojakaasuna käytettäessä lisäaine siirtyy suuripisaraisena, jolloin hiilidioksidin hajotessa syntyvä kaasun tilavuuden nousu aiheuttaa hitsistä poispäin suuntautuvan voiman saaden aikaan työkappaleeseen kiinni tarttuvia suurikokoisia roiskeita. Seostettaessa argonia pienellä määrällä hiilidioksidia saadaan rauhallisempi valokaari ja hitsisulalle alhaisempi pintajännitys. Pintajännityksen aleneminen tasoittaa hitsin pintaa, alentaa kupua, liittää hitsin perusaineeseen juohevasti ilman reunahaavaa, tekee sulasta juoksevampaa sekä vähentää roiskeita. Hiilidioksidilisäys on tällöin alle 10 % ja vaihtelee materiaalista riippuen. Hiilidioksidin määrän kasvaessa argonseoksessa muuttuu tunkeuman muoto leveämmäksi ja hitsikuvun korkeus kasvaa. CO 2 pitoisuuden kasvaessa lisääntyy myös roiskeenmuodostustaipumus, hapettavuus ja hitsisavun määrä. Valmistus Hiilidioksidia syntyy eri kemiallisten prosessien sivutuotteena. Mm. kalsiumkloridin (maantiesuola) valmistuksessa syntyy melkein puhdasta hiilidioksidia sivutuotteena. Samoin tapahtuu eri käymisprosesseissa, kuten alkoholin ja oluen valmistuksessa. Hiilidioksidi otetaan ko. prosesseista kaasumaisessa muodossa käsittelylaitokseen, jossa siitä poistetaan epäpuhtaudet, kuten kosteus ja ilma ja hiilidioksidi nesteytetään. Hiilidioksidi on halpa kaasu, mutta sen yksittäiskäyttö suojakaasuna sen reaktiivisuuden ja hapettavuuden takia on varsin rajoitettu.

13 10 Toimitusmuoto Hiilidioksidia toimitetaan kaasupulloissa tai pullopattereissa sekä nestesäiliöissä. Fysikaalisten ominaisuuksiensa takia hiilidioksidi on kaikissa näissä toimitusmuodoissa nestemäisessä olomuodossa Happi Historia Kuva 5. Happiatomi Happi löydettiin Löytäjinä olivat Josef Priestley ja Carl Wilhelm Cheele. Hapen nimi tulee kreikkalaisista sanoista oxy ja genes tarkoittaen hapen muodostajaa. Happi on elintärkeä kaikelle elolliselle elämälle maapallolla. Ominaisuudet Happea käytetään vähäisessä määrin osakomponenttina suojakaasuissa. Sen tehtävänä on olla hapettavana komponenttina vakauttamassa valokaarta ja varmistamassa lisäaineen tasainen siirtyminen hitsauksen aikana. Hapen määrän käyttö suojakaasukomponenttina riippuu terästyypistä ja hitsausmenetelmästä. Hapen merkitys hitsauksessa on tärkeä stabiilin katodipisteen aikaansaamiseksi. Toisaalta happi aiheuttaa palohäviöitä ja oksidisulkeutumia hitsiaineeseen. Turvaominaisuuksiltaan puhdas happi on palamista edistävä kaasu. Käytettäessä matalahiilisen perusaineen hitsaamisessa argon-hiilidioksidiseosta on hiilen siirtyminen sulaan todennäköistä, jolloin suojakaasuseoksessa hiilidioksidin sijaan tulisi käyttää happea.

14 11 Valmistus Happea valmistetaan pääasiallisesti ilmakaasutehtaissa tislausprosessin avulla. Ilmassa on 21 % happea. Happi on halpa kaasu ja suurin kustannuserä muodostuu sen tarkasta sekoittamisesta osakomponentiksi seoskaasuun. Toimitusmuoto Happea toimitetaan valmiina seoskaasuna yleensä argoniin sekoitettuna korkeapaineisissa kaasupulloissa tai pullopattereissa (200 tai 300 bar) Typpi (N ) 2 Historia Kuva 6. Typpiatomi Typpi löydettiin Löytäjänä oli skottilainen Daniel Rutherford. Typpi tulee kreikan sanoista nitron ja genes tarkoittaen nitraatin muodostajaa. Ominaisuudet Typpi on hajuton, väritön ja mauton kaasu. Turvaominaisuuksiltaan typpi on tukahduttava. Typpeä käytetään hitsauksessa pääasiassa suojakaasun osakomponenttina ja yleensä se merkitään reagoimattomaksi kaasuksi, mutta sillä on korkeammissa lämpötiloissa typettävä vaikutus hitsiin, minkä takia sitä ei voida yksinään käyttää. Pieni typpilisäys suojakaasussa ehkäisee hitsauksen aikana teräksessä tapahtuvaa typen katoa.

15 12 Valmistus Typpeä valmistetaan pääasiallisesti tislausprosessilla ilmakaasutehtaissa. Typpeä on ilmassa 78 %. Typpi on halpa kaasu ja sitä käytetään osakomponenttina suojakaasuissa, joita toimitetaan korkeapaineisissa kaasupulloissa tai pullopattereissa (200 tai 300 bar) Vety (H 2 ) Historia Kuva 7. Vetyatomi Vety löydettiin Löytäjänä oli englantilainen Henry Cavendish. Vety tulee kreikkalaisesta sanasta hydrogenis tarkoittaen vettä ja generaattoria. Ominaisuudet Vety on väritön, hajuton ja mauton kaasu. Turvaominaisuuksiltaan vety on syttyvää ilmaan sekoitettuna 4 % 74,5 %. Vety on kevyin tunnettu alkuaine. Vedyn molekyylipaino on 2 g/mol ollen kaksi kertaa kevyempää kuin helium ja n. 15 kertaa kevyempää kuin ilma. Vetyä käytetään suojakaasun osakomponenttina argoniin sekoitettuna ja sillä on pelkistävä vaikutus, minkä takia hitsipinnasta tulee kirkkaampi. Vetyä käytetään osakomponenttina lähinnä austeniittisten ruostumattomien terästen TIG- ja plasmahitsauksessa. Vetylisäys kuumentaa valokaarta, lisää kaarijännitettä ja antaa keskitetyn valokaaren mahdollistaen suuremman hitsausnopeuden ja parantaen tunkeumaa auttaen hitsin ja perusaineen juohevaa liittymistä. Vetyä käytetään myös osakomponenttina juurensuojakaasussa austeniittisilla ruostumattomilla teräksillä pelkistävän ominaisuutensa takia. Lisättävän vedyn määrä vaihtelee metallin paksuudesta ja

16 13 liitostyypistä riippuen. Vetylisäys on yleensä 1 8 %. Yleisimmin käytetty vetylisäys on 5 %. Liiallinen vedyn lisäys aiheuttaa hitsiin huokoisuutta. Valmistus ja toimitusmuoto Vetyä valmistetaan elektrolyyttisesti vesimolekyylejä hajottamalla. Sitä syntyy myös suuria määriä sivutuotekaasuna erilaisista kemiallisista prosesseista mm. kloorin ja kloraatin valmistuksessa. Sitä voidaan valmistaa myös maakaasusta ja ammoniakista. Vety on varsin edullinen kaasu ja hinta syntyy sen sekoittamisesta osakomponentiksi muihin kaasuihin. Vetyä sisältäviä suojakaasuja toimitetaan korkeapaineisissa irtopulloissa tai pullopattereissa (200 tai 300 bar) Seoskaasut Hitsaussuojakaasuissa seoskaasulla tarkoitetaan yhden tai useamman osakomponentin sekoittamista peruskaasuun. Osakomponenttikaasun tai kaasujen käyttö perustuu tavoitteeseen vaikuttaa hitsattavuuteen, hitsin laatuun, hitsin ominaisuuksiin ja tuottavuuteen. Käytettävät osakomponentit ja määrät vaihtelevat metallien ja hitsausmenetelmien mukaan. Peruskaasuna on useimmiten hyvien suojaominaisuuksiensa takia argon, johon osakomponentti tai osakomponentit sekoitetaan. Osakomponentteina hitsausmateriaalista ja hitsausmenetelmästä riippuen käytetään hiilidioksidia, heliumia, happea, typpeä tai vetyä. Lisäksi juurikaasuna voidaan käyttää seosta, jossa peruskaasuna on typpi ja siihen sekoitetaan vetyä. Turvaominaisuuksiltaan seoskaasut ovat kaikki tukahduttavia. Lisäksi typpi-vetyseos yli 4 % vetypitoisuudella on syttyvä ilmaan sekoitettuna. Valmistus Seoskaasut valmistetaan pääasiallisesti kaasupulloihin tai pullopattereihin paineperusteisesti täyttäen osakomponenttikaasu ensin ja peruskaasu lopuksi. Tarkoissa seoksissa sekoittaminen voidaan tehdä myös gravimetrisesti vaa an avulla. Jos suojakaasukulutus on suurta, seoskaasut on mahdollista valmistaa

17 14 käyttöpaikalla erillisellä sekoitinlaitteella. Valmistetun seoksen pitoisuus voidaan analysaattorilla varmistaa joko tietyin väliajoin tai jatkuvalla mittauksella. Toimitusmuoto Seoskaasut toimitetaan korkeapaineisissa (200 tai 300 bar) kaasupulloissa tai pullopattereissa. Mikäli käyttömäärä on riittävän suurta, voidaan argon toimittaa nestemäisenä säiliöön ja sekoittaa haluttuun kaasuun paikan päällä erillisellä sekoituslaitteella Kaasujen ominaisuudet Taulukoissa 1 ja 2 on esitetty hitsaussuojakaasuina käytettyjen kaasujen fysikaaliset ominaisuudet. Taulukko 1. Kaasujen ominaisuudet Kemiallinen Määritetty 0 C lämpötilassa ja Kiehumispiste Reagoimistapa KAASU merkki 1,013 bar (0,101MPa) paineessa 1,013 bar hitsattaessa Tiheys Suhteellinen 15 C (ilma=1,293) tiheys ilmaan kg/m 3 verrattuna Argon Ar 1,784 1, ,9 inertti Helium He 0,178 0, ,9 inertti Hiilidioksidi CO 2 1,977 1,529-78,5 1) hapettava Happi O 2 1,429 1, ,0 hapettava Typpi N 2 1,251 0, ,8 reagoimaton 2) Vety H 2 0,090 0, ,8 pelkistävä 1) Sublimoitumislämpötila (lämpötila, jossa muutos kiinteästä tilasta kaasumaiseen tilaan). 2) Typen käyttäytyminen vaihtelee eri materiaalien mukaan. Mahdollinen negatiivinen vaikutus on otettava huomioon.

18 15 Taulukko 2. Kaasujen ominaisuudet Kemiallinen Molekyyli- Atomisäde Ionisoitumis- Lämmön- Ominais- KAASU merkki paino (mitattu) energia johtavuus W lämpökapasiteetti g/mol pm (ev) m x K kj/kg x K Argon Ar 39, ,8 0,017 0,520 Hiilidioksidi CO ,0 0,015 0,850 Helium He ,6 0,15 5,193 Happi O ,6 0,03 0,918 Typpi N ,5 0,03 1,040 Vety H ,6 0,18 14, Suojakaasujen puhtaus ja sekoitustarkkuus (SFS-EN 439) Kaasun puhtaudella tarkoitetaan peruskaasun kokonaispitoisuutta. Kokonaispitoisuus 99,5 % tarkoittaa, että peruskaasua on 99,5 tilavuus-% ja 0,5 tilavuus-% epäpuhtauksia. Hitsaussuojakaasuissa peruskaasun ja osakomponenttikaasujen puhtaudella on suuri merkitys hitsauksen onnistumiseen. Epäpuhtaudet ilmoitetaan yleensä miljoonasosina kaasun kokonaistilavuudesta eli ppmv (0,5 % tarkoittaa 5000 ppmv). SFS-EN 439 määrittää epäpuhtauksien maksimiarvot suojakaasuissa. Kaasujen valmistajat ja toimittajat luokittelevat ja antavat erittelyn tuottamilleen ja myymilleen kaasuille. Standardi SFS-EN 439 määrittelee myös kaasuseosten pitoisuusrajat. Seoskomponentin pitoisuuden ollessa alle 5 %, sallittu poikkeama on + 0,5 % absoluuttisesta valmistajan nimellisarvosta eli suojakaasussa, joka sisältää 2 % hiilidioksidia ja 98 % argonia, hiilidioksidipitoisuus voi vaihdella rajoissa 1,5 2,5 %. Seoskomponentin pitoisuuden ollessa yli 5 %, sallittu poikkeama on + 10 % suhteellisesta kaasun nimellisarvosta eli seoskaasulla, jossa on 25 % hiilidioksidia ja 75 % argonia, hiilidioksidin pitoisuus voi vaihdella rajoissa 22,5 27,5 %.

19 16 3. ERI HITSAUSMENETELMÄT JA NIISSÄ KÄYTETTÄVÄT SUOJAKAASUT 3.1 MIG/MAG-hitsaus MIG-/MIG-hitsaus eli metallikaasukaarihitsaus on hitsausmenetelmä, jossa valokaari palaa suojakaasun ympäröimänä sulavan hitsauslangan ja työkappaleen välillä, kuva 8. Metalli siirtyy valokaaren läpi pieninä sulapisaroina langan kärjestä hitsisulaan. Langansyöttölaite syöttää ohutta hitsauslankaa (yleensä 0,8-1,2 mm) hitsauspistoolin kautta valokaareen. Siihen tulevat hitsauskoneesta monitoimijohdon kautta omissa johtimissaan, kaapeleissaan ja letkuissaan hitsauslanka, hitsausvirta, suojakaasu, ohjausvirta ja mahdollinen polttimen jäähdytysvesi. Kuva 8. MIG/MAG-hitsauksen toimintaperiaate MIG/MAG-hitsauksen etuja ovat: - jatkuva lisäainesaanti - helppo mekanisoida ja automatisoida - lisäaine kuonaa muodostamaton - hitsaus kaikissa asennoissa mahdollista - hyvä tuottavuus - suojakaasun tai seoskaasun optimointimahdollisuus - suhteellisen vähän hitsaushuuruja

20 17 Haitat: - arka vedolle ja tuulelle - ulottuvuus ja luoksepäästävyys hitsauskohteeseen rajoitettu - lisäainevalikoima rajoitettu Kaarityypit MIG/MAG-hitsauksessa sula metalli siirtyy langasta hitsisulaan pieninä pisaroina. Aineensiirtymisen päämekanismit ovat oikosulkusiirtyminen ja suihkumainen siirtyminen. Oikosulkusiirtymisessä siirtyvät pisarat muodostavat hetkellisiä oikosulkuja, suihkumaisessa siirtymisessä metalli siirtyy erittäin pieninä pisaroina suihkun muodossa. Kumpaankin aineen siirtymistapaan liittyy oma kaarityyppinsä. Kaarityyppi määräytyy lähinnä virta- ja jännitearvojen perusteella. Pääkaarityypit ovat lyhytkaari, sekakaari, pulssikaari ja kuumakaari, kuva 9. Eri kaarityyppejä käytetään ja ne vaikuttavat asentohitsaukseen, pohjapalkojen hitsaukseen, välipalkojen hitsaukseen, ohutlevyjen hitsaukseen ja tehokkaaseen jalkohitsaukseen. Kullekin kaarityypille on luonteenomaista tietty aineen siirtymistapa ja pisarakoko, johon vaikuttaa hitsausarvojen lisäksi suojakaasu Lyhytkaari 2. Sekakaari 3. Kuumakaari 4. Pulssikaari 5. Pyörivä kaari (T.I.M.E.) 6. Kylmäkaari (CMT) Kuva 9. Kaarityyppien alueet virta/jännitekentässä

21 18 Lyhytkaari Lyhytkaarihitsauksessa hitsisula on hyvin hallittavissa kaikissa hitsausasennoissa. Lyhytkaarihitsauksessa valokaari sammuu jaksottain lisäainelangan ja perusaineen välillä syntyvien oikosulkujen aikana. Oikosulku- ja valokaarivaiheet tapahtuvat erittäin nopeasti, kertaa sekunnissa. Sekakaari Sekakaari on lyhytkaaren ja kuumakaaren välissä oleva alue. Tällä alueella kaariaika muodostuu pitkäksi ja oikosulkuvaiheet harvoiksi. Lisäaineen siirtyminen tapahtuu oikosulkusiirtymisenä suurina pisaroina ja kaariaikana suihkumaisena. Oikosulut, suuripisarainen lisäaineen siirtyminen ja kaaripaine aiheuttavat runsaasti roiskeita. Sekakaarella hitsaamista pyritään välttämään, mutta sitä käytetään ylhäältä alaspäin hitsauksessa ja vaakahitsauksessa. Kuumakaari Kuumakaarihitsauksessa kaariteho on niin suuri, että valokaari palaa jatkuvasti ilman oikosulkuvaiheita. Kaaritehon kasvaessa siirtyvän lisäaineen pisarakoko pienenee. Tehon nostaminen saa aikaan argonseosteisilla kaasuilla lisäaineen pään muodostumisen kartiomaiseksi pisaroiden siirtyessä suihkumaisesti hitsisulaan. Kuumakaaren käyttö merkitsee suurta hitsaustehoa, suurta lisäainemäärää ja -tuottoa aikayksikössä ja hyvää tunkeumaa. Suuren hitsisulan takia kuumakaari ei sovellu asentohitsauksiin eikä päittäisliitosten pohjapalkojen hitsaamiseen, vaan sitä käytetään paksujen perusaineiden väli- ja pintapalkojen hitsaukseen jalkoasennossa ja alapienahitsaukseen.

22 19 Pitkäkaari Hiilidioksidilla ei yleensä päästä oikosuluttomaan puhtaaseen kuumakaarihitsaukseen millään hitsausarvoilla, ja oikosulkuja esiintyy ajoittain. Pitkäkaarihitsaus on tyypillistä hiilidioksidihitsaukselle. Pitkäkaarihitsauksen käyttöalue on sama kuin kuumakaarihitsauksen käyttöalue. Hitsattaessa pitkäkaarihitsauksessa suurilla tehoilla aineen siirtyminen ei ole aina langansuuntaista, mistä on tuloksena roiskeita ja melko karkea hitsin pinta. Pulssikaari Pulssikaaressa ohjataan aineen siirtymistä pulssivirran eli sykkivän virran avulla. Sillä saadaan aikaan suihkumainen aineen siirtyminen eli kuumakaari, vaikka se ei muuten käytetyllä langan halkaisijalla ja keskimääräisellä hitsausarvolla olisi mahdollista, vaan hitsaus niillä tapahtuisi lyhyt- tai sekakaarella. Pulssikaari edellyttää inerttiä suojakaasua (argon tai helium) tai argonvaltaista seoskaasua. Seostamattomien terästen hitsauksessa suojakaasun hiilidioksidipitoisuuden on oltava alle 20 %, jotta saadaan aikaan kunnollinen pulssikaari. Seoskaasut argon + 8 % CO 2 ja argon + 18 % CO 2 ovat osoittautuneet hyviksi suojakaasuiksi rakenneteräksen pulssi-mag-hitsauksessa. Pulssikaarta käytetään MIG-hitsauksessa inerteillä suojakaasuilla Ar- ja He-seoksilla alumiinin ja kuparin hitsauksessa, jolloin voidaan käyttää paksua lisäainelankaa. Kylmäkaari Kylmäkaarihitsauksessa hitsataan pienillä jännite- ja virta-arvoilla. Digitaalitekniikan kehittyminen hitsauskoneissa on luonut mahdollisuuden käyttää kylmäkaarihitsausta, jossa pulssituksella ja tarkalla prosessin säädöllä vaikutetaan lisäainepisaran irtoamiseen erittäin kontrolloidusti ja lämmöntuonti minimoidaan, jolloin voidaan hitsata erittäin ohuita materiaaleja ja myös liittää eri materiaaleja toisiinsa hallitusti. Tyypillinen kylmäkaarta hyväksi käyttävä hitsausprosessi on mm. CMT-menetelmä.

23 20 Pyörivä kaari Pyörivässä kaaressa sähkömagneettisista voimista johtuen korkealla virranvoimakkuudella valokaari ja sulava lisäainelanka taipuvat ja joutuvat pyörivään liikkeeseen, jonka nopeus on kierrosta minuutissa. Pyörimisliike auttaa tunkeumaprofiilin levenemisessä ja sopivalla suojakaasuseoksella saadaan erittäin hyvä tuottavuus ja nopeus hitsaamiseen. Pyörivää kaarta käytetään suurtehohitsausprosesseissa, kuten T.I.M.E. Suojakaasut MAG-hitsauksessa Suojakaasun primäärinen tehtävä MAG-hitsauksessa on suojata hitsaustapahtumaa eli sulaa metallia ympäröivän ilman haitallisilta vaikutuksilta, mutta se vaikuttaa myös moniin muihin asioihin, kuten kohdassa 2 todettiin. Jos suojakaasussa on aktiivisia kaasukomponentteja, hiilidioksidia ja happea, niillä on hapettava vaikutus eli kaasu reagoi sulan metallin kanssa, mistä seuraa seosaineiden palohäviöitä ja syntyvän huurun määrän kasvua. Suojakaasu voi olla aktiivinen tai inertti kaasu hitsattavan perusaineen mukaan. Aktiivisia kaasuja ovat mm. argonin ja hiilidioksidin sekä argonin ja hapen seoskaasut tai yksin käytettynä hiilidioksidi. Yleisimmän seoskaasun eli argon+hiilidioksidi-seoskaasun SFS-EN 439 standardin mukainen luokittelumerkintä on M21. Tämä kattaa seoskaasut, joissa peruskaasuna on argon ja hiilidioksidin määrä on 5-25 %. Yleisimpiä näistä seoskaasuista ovat seostamattoman teräksen hitsauksessa käytettävät seoskaasut 75 % Ar + 25 % CO 2, 82 % Ar + 18 % CO 2 ja 92 % Ar + 8 % CO 2. Ruostumattoman teräksen hitsauksessa yleisin suojakaasu on 98 % Ar + 2 % CO 2, jonka luokittelumerkintä on M12. Suojakaasun ollessa aktiivinen käytetään hitsausprosessista nimitystä MAGhitsaus (engl. metal active gas welding, MAG). Inerttejä suojakaasuja ovat argon ja helium tai näiden seoskaasut, jolloin käytetään nimitystä MIG-hitsaus (engl.

24 21 metal inert gas welding, MIG). Puhekielessä käytetään usein yleisnimityksenä pelkästään MIG-hitsausta, vaikka käytetään aktiivisia hiilidioksidi- tai happiseosteisia suojakaasuja. Tarkasti ajatellen seostamattomien ja niukkaseosteisten terästen ja myös ruostumattoman teräksen hitsaus on MAGhitsausta käytettäessä argoniin sekoitettua aktiivista kaasukomponenttia, kuten hiilidioksidia tai happea. Ei-rautametallien kuten alumiinin, kuparin ja nikkelin hitsaus on aina MIG-hitsausta, koska siinä käytetään inerttejä suojakaasuja, argonia ja heliumia tai näiden seoksia. MIG/MAG-hitsaus on tehokas ja helposti mekanisoitavissa ja automatisoitavissa oleva prosessi, minkä ansiosta se on syrjäyttänyt lähes täysin puikkohitsauksen. Viime vuosina on kehitetty useita ns. suurteho-mig/mag-hitsaussovellutuksia, joilla päästään huomattavan korkeisiin hitsiaineen tuottoihin. Itävaltalaisen Froniuksen kehittämä T.I.M.E.-sovellutus oli ensimmäisiä suurtehosovellutuksia. T.I.M.E.-menetelmä perustuu aktiiviiseen nelikomponenttikaasuun Ar + 26,5 % He + 8 % CO 2 +0,5 % O 2, jolla luodaan optimaaliset tuotto- ja laatuedellytykset suurtehohitsaukselle MAG-täytelankahitsaus MAG-täytelankahitsaus (engl. MAG welding with tubular cored electrode, flux cored arc welding, FCAW) muistuttaa suuresti MAG-hitsausta. Yleensä MAGtäytelankahitsausta tehdään samoilla hitsauskoneilla ja hitsauksen suoritustapa on myös samankaltainen. Tärkein ero on siinä, että MAG-täytelankahitsauksessa lisäaine on umpilangan sijasta putkimaista lankaa, jota kutsutaan täytelangaksi tai ydintäytelangaksi, kuva 10.

25 22 Kuva 10. MAG-täytelankahitsaus Kaikki täytelangat hitsataan aktiivista argon-hiilidioksidi-seoskaasua tai hiilidioksidia käyttäen, mistä tulee nimitys MAG-täytelankahitsaus. Samoin kuin umpilankahitsauksessa MAG-täytelankahitsauksessa suojakaasu vaikuttaa hitsausominaisuuksiin, roiskeiden määrään, hitsin tiiveyteen, hitsin vetypitoisuuteen sekä hitsin muotoon ja pinnan laatuun. Täytelanka on aina suunniteltu koostumukseltaan hitsattavaksi tietyllä kaasulla tai tietyillä kaasuilla, jotka mainitaan käytettävän täytelangan valmistajan antamassa tuoteselosteessa. Metallitäytelangat hitsataan yleensä argonvaltaisilla seoskaasuilla M21 eli Ar % CO 2, joista yleisin seoskaasu on 75 % Ar + 25 % CO 2. Markkinoilla on myös hiilidioksidilla hitsattavaksi tarkoitettuja metallitäytelankoja, mutta hiilidioksidin ominaisuuksista johtuen roiskeisuus lisääntyy. Lisäksi on täytelankoja, joiden kanssa ei käytetä suojakaasua, vaan suojaus tulee täyteaineesta. Ruostumattomat täytelangat voidaan yleensä hitsata samoin 75 % Ar + 25 % CO 2 -seoskaasulla toisin kuin umpilangat, jossa on käytettävä ruostumattomalla teräksellä argonvaltaista seoskaasua kuten 98 % Ar + 2 % CO 2.

26 CMT-menetelmä CMT on MAG-hitsausmenetelmä. CMT tulee sanoista cold metal transfer. CMT on hitsausmielessä kylmä prosessi, jossa lisäainesula irtoaa kokonaan lyhytkaarialueella. Itävaltalaisen Froniuksen kehittämässä menetelmässä hitsauksen hyvä lämmönhallinta perustuu digitaalisesti kontrolloituun lisäaineen syöttöön. Järjestelmässä on kaksi erillistä samaa lankaa syöttävää laitetta, toinen polttimessa ja toinen virtalähteessä. Lisäainelangan liike on yhdistetty kiinteästi hitsaustapahtumaan, joka on lähes roiskeeton. CMT-menetelmällä voidaan hitsata erittäin ohuita levyjä aina 0,3 mm:iin asti ja liittää eri materiaaleja, kuten terästä ja alumiinia, toisiinsa. CMT-menetelmän käyttöalueet - autoteollisuus - muu moottoriajoneuvoteollisuus - lentoliikenne - elektroniikka- ja sähkökaappien sekä -koteloiden valmistus Suojakaasut CMT-hitsauksessa CMT-hitsauksessa käytetään suojakaasuna hiilidioksidia. Muussa MAGhitsauksessa hiilidioksidi tiedetään paljon roiskeita aiheuttavaksi ja sillä on hyvät tunkeumaominaisuudet. CMT-menetelmässä hitsaus tapahtuu kokonaan kylmäkaarialueella lämmöntuonnin ollessa erittäin vähäistä, joten hiilidioksidimolekyyli ei siinä hajoa aiheuttaen samalla roiskeita, vaan suojaa pelkästään hitsaustapahtuman ympäröivän ilman vaikutuksilta. Hiilidioksidin ohella argon-hiilidioksidiseoksia voidaan myös käyttää suojakaasuina CMThitsauksessa Kaarityypit ja roiskeet eri suojakaasuilla Roiskeet ovat haitallisia, koska niiden poistaminen vie aikaa ja on kallis ja melua tuottava työvaihe. Roiskeiden syntymiseen vaikuttavat mm. kaarityyppi,

27 24 hitsausarvot ja suojakaasu, kuva 11. Seuraavassa roiskeiden määrä prosentteina eri suojakaasuilla ja kaarityypeillä: - suojakaasu 82 % Ar + 18 % CO 2 lyhytkaari: 2 % sekakaari: 6 % kuumakaari: 3 % - suojakaasu 82 % Ar + 18 % CO 2 pulssikaari: 1 % - suojakaasu CO 2 lyhytkaari: 4 % sekakaari: 9 % pitkäkaari: 5 % Kuva 11. Kaarityypin ja suojakaasun vaikutus roiskeiden määrään teräksen hitsauksessa

28 Tunkeuma Suojakaasusta riippuen tunkeuma on hyvin erilainen. Pelkällä argonilla tai suuren argonmäärän sisältävällä seoskaasulla tunkeuma on sormimainen, kuva 12. Sormimaisuus johtuu siitä, että argonilla on pieni lämmönjohtavuus, minkä takia kaaressa on kapea kuuma sydän ja viileämpi ulko-osa. Hiilidioksidi sitä vastoin aiheuttaa laajemman kraaterimaisen tunkeuman, jossa on hyvä sivutunkeuma johtuen hiilidioksidin suuremmasta lämmönjohtavuudesta ja valokaaressa tapahtuvasta kaasun termisestä hajoamisreaktiosta. Koska hiilidioksidin lämmönjohtavuus on suurempi kuin argonilla, lämpö leviää laajemmalle ja valokaaren ulko-osa tulee myös kuumaksi, minkä ansiosta sivutunkeuma on hyvä. Argon Helium Argon + helium 30 % seoskaasu Argon + vety 5 % seoskaasu Argon + hiilidioksidi 25 % seoskaasu Hiilidioksidi Kuva 12. Tunkeumakuviot eri suojakaasuilla

29 Suojakaasun virtaus- ja kulutusmäärät Kaasu Tarvittavaan kaasuvirtausmäärään vaikuttaa mm. suojakaasun seos, perusaine, hitsausvirta, kaarityyppi, kaasusuuttimen koko, hitsauspistoolin asento ja työpaikan vetoisuus. Sopiva suojakaasuvirtaus vaihtelee kaarityypin mukaan teräksen hitsauksessa ollen suuntaa-antavasti, kuva 13: - lyhytkaarihitsaus l/min - kuumakaarihitsaus l/min Kaasuvirtausmäärä on syytä tarkistaa pistoolin kaasusuuttimen päästä kyseiselle suojakaasulle tehdyllä tarkistusvirtausmittarilla. Tärkeää on myös tarkastaa kaasun syöttöputkisto ja letkusto sekä paineenalenninjärjestelmien tiiveys, jotta teknisiä ongelmia aiheuttavia vuotoja ei järjestelmässä ole. Kuva 13. Ohjeelliset suojakaasuvirtaukset eri materiaalien MIG/MAGhitsaukseen

30 Valintataulukko MIG/MAG-suojakaasuille Taulukossa 3. on esitetty erilaisten suojakaasujen soveltuvuus eri materiaaleille. Sopivin, tehokkain ja taloudellisin kaasu on tapauskohtaisesti pohdittava ottaen huomioon kaasusta saatava lisäarvo kyseisessä hitsausprosessissa. Taulukko 3. MIG/MAG-hitsauksessa ja MAG-täytelankahitsauksessa käytettävät suojakaasut MIG-/MAG-HITSAUSSUOJA- KAASUJEN KÄYTTÖKOHTEET CO2 Ar Awomix Ar + 8 % CO2 SK-18 Ar + 18 % CO2 SK-25 Ar + 25 % CO2 SK-2 Ar + 2 % CO2 SO-2 Ar + 2 % O2 Awodrop Ar + 0,01 % O2 Ar-He Ar + 30 % He Awolight Ar + 30 % He+ 1 % O2 T.I.M.E. Ar + 26,5 % He + 8 % CO2+0,5 % O2 Helium N46 Formier N2+12 % H2 Seostamattomat teräkset Niukkaseosteiset teräkset Runsasseosteiset, austeniittiset teräkset Runsasseosteiset, ei-austeniittiset teräkset Alumiini ja sen seokset Kupari ja sen seokset Titaani Juurensuojakaasu O X X X X O X X X X O X X O O X O O X X O O O X X O O X X O X X X X X O X SUOSITELLAAN SUOJAKAASUKSI O VAIHTOEHTO SUOJAKAASUKSI (tarkasteltava tapauskohtaisesti) 3.2. TIG-hitsaus TIG-hitsaus (engl. tungsten inert gas welding TIG, gas tungsten arc welding, GTAW) on kaasukaarihitsausta, jossa valokaari palaa sulamattoman volframielektrodin ja työkappaleen välillä suojakaasun ympäröimänä, kuva 14.

31 28 Volframia käytetään sulamattoman elektrodin materiaalina, koska sen sulamispiste on yli 3000 C. Hitsaustapahtumaa suojaa aina inertti suojakaasu, yleensä argon tai argon+helium-seoskaasu. Suojakaasu suojaa elektrodin kärjen hapettumiselta. Valokaaren lämpö sulattaa työkappaletta, johon muodostuu hitsisula. TIG-hitsaukseen tuodaan yleensä lisäaine erikseen, mutta TIGvalokaarella voidaan myös lämmittää ja hitsata sulattamalla perusainetta ilman lisäainetta. TIG-hitsauksessa valokaaren energiatiheys ja terminen hyötysuhde ovat pienempiä kuin muissa kaarihitsausprosesseissa, minkä takia TIG-hitsaus ei ole erityisen sovelias ja tehokas suurille ainepaksuuksille, mutta sitä vastoin ohuilla ainepaksuuksilla sitä voidaan käyttää hyvin erittäin vaativissa olosuhteissa. TIG-hitsaus soveltuu hyvin kaikkien hitsattavien metallien hitsaukseen, teräksestä titaaniin. Kuva 14. TIG-hitsauksen periaate TIG-hitsausta voidaan suorittaa tasavirralla elektrodi kytkettynä tai +-napaan tai vaihtovirralla. Yleisin tapa on tasavirralla hitsaus elektrodi kytkettynä napaan. Tasavirta voi olla muodoltaan jatkuvaa vakiovirtaa tai jatkuvasti vaihtelevaa virtaa eli pulssivirtaa. Virtalajin valintaan vaikuttaa hitsattava perusaine ja jossain määrin myös aineenpaksuus. Virtalajin valinnalla voidaan vaikuttaa hitsin tunkeumaan. Paras tunkeuma saadaan tasavirralla ja elektrodi navassa.

32 29 TIG-hitsauksen etuja ja haittoja ovat: Edut: - hyvä sulan ja tunkeuman hallinta - hitsaus ilman lisäainetta myös mahdollista - ohuiden aineiden hitsaus - metallurgisesti erittäin puhdas hitsi - hyvänmuotoinen ja kuonaton hitsi - roiskeeton - vähän hitsaushuuruja - kätevyys ja pieni tilan tarve Haitat: - arkuus vedolle - pieni hitsausnopeus paksuilla perusaineilla - arkuus epäpuhtauksille - juuren suojaustarve TIG-hitsauksen prosessisovelluksia TIG-kapearailohitsaus Kapearailohitsaus tuo etuja hitsattaessa suuria ainepaksuuksia. Kapean railon ansiosta hitsiainemäärä ja palkomäärä pienenevät. Kapearailohitsauksessa käytetään aina myös langansyöttöä sekä usein myös pulssitusta apuna. Kapearailohitsauksessa voidaan käyttää korkeampaa kaarijännitettä vaativia kaasuja, kuten argon-heliumseoksia, jolloin hitsausnopeutta voidaan lisätä. Kapearailohitsausta käytetään lähinnä paksuseinämäisten putkien ja lieriöiden päittäishitsauksessa mekanisoiduilla tai automatisoiduilla menetelmillä. TIG-kylmälanka- ja TIG-kuumalankahitsaus TIG-kylmälankahitsausta käytetään lähinnä mekanisoidussa putkien hitsauksessa, jossa lanka syötetään erikoissyöttölaitteilla. Syötettävä hitsauslanka voidaan myös

33 30 kuumentaa erillisen virtalähteen avulla lähelle sulamispistettä syötön aikana ennen hitsisulaan menoa. Tällä tavalla hitsausaineentuottoa voidaan lisätä verrattuna kylmälankasyöttöön. Kuumalankahitsausta käytetään lähinnä paksuseinämäisten putkien ja lieriöiden hitsaukseen. Suojakaasuina käytetään argonpohjaisia seoskaasuja, joihin on sekoitettu materiaalista riippuen muita komponentteja (He, H 2 ). Orbitaalihitsaus Orbitaalihitsaus on putkien hitsauksessa käytettävä TIG-menetelmä. Siinä pihtimallinen työkalu kiinnitetään putken ympärille ja pihdissä oleva hammaskehä pyöräyttää hitsauspään elektrodeineen putken ympäri suorittaen hitsauksen. Hitsaus tapahtuu esivalittujen hitsausarvojen mukaan ja hitsaajan tehtävänä on asettaa pihti kohdalleen ja tarkkailla hitsauksen edistymistä. Hitsaussuojakaasu tulee pihtityökaluun sekä johdetaan myös juuren puolelle. A-TIG-hitsaus A-TIG-hitsauksessa levitetään hitsauskohdan eteen erikoistahnaa, joka kurouttaa valokaarta ja kasvattaa virtatiheyden 1,5-2 kertaiseksi suurentaen samalla tunkeuman 1,5-2,5 kertaiseksi sekä lisäten hitsausnopeutta. Käytetty tahna koostuu jauheesta ja sitä sitovasta asetonista, joka höyrystyy valokaaressa. TOPTIG-prosessi TOPTIG on hitsausprosessi, joka on kehitetty erityisesti robottihitsaukseen. Siinä on TIG-hitsauksessa tyypillinen kiinteä, oma elektrodi, mutta lisäaineen syöttö tapahtuu automaattisesti hitsauspistoolin läpi suoraan valokaareen, kuva 15.

34 31 Langan syöttö Elektrodi Suutin Valokaari Kuva 15. TOPTIG-hitsauksen periaatekuva TOPTIG:in etuja ovat hitsausnopeus, hyvä laatu ja roiskeettomuus. TOPTIG soveltuu ohutlevyhitsaukseen aina 3 mm:iin saakka, seostamattomille ja ruostumattomille teräksille ja galvanoitujen levyjen juottoon. Kaksoiskaasu-TIG-hitsaus TIG-hitsauksen tuottavuutta lisäämään on kehitetty kaksoiskaasuprosessi, kuva 16. Sisäkaasu virtaa elektrodin vierestä antaen mahdollisuuden luoda suojakaasulla valokaarelle mahdollisimman tehokkaan ja rauhallisen palamisen suojaten samalla elektrodia. Ulkokaasu suojaa kaaren ulkoisilta ilman vaikutuksilta. Ulkokaasulla voidaan osittain myös vaikuttaa valokaaren hitsausominaisuuksiin, hitsausnopeuteen ja lämmöntuontiin. Valokaari on kaksoiskaasuhitsauksessa tasaisempi, keskitetympi ja tunkeutumiskykyisempi kuin perinteisessä TIG-hitsauksessa mahdollistaen hitsausnopeuden ja hitsattavan aineenpaksuuden kasvattamisen.

35 32 Kuva 16. Kaksoiskaasu TIG-hitsauksen periaate Suojakaasut TIG-hitsauksessa TIG-hitsauksessa volframielektrodin kestävyys rajoittaa suojakaasuvaihtoehdot ainoastaan inertteihin kaasuihin eli argoniin ja heliumiin sekä näiden seoksiin. Joissakin tapauksissa käytetään myös inertin ja pelkistävän kaasun eli vedyn seosta tai argonia, johon on sekoitettu erittäin pieniä määriä happea tai hiilidioksidia. Argon on yleisimmin käytetty suojakaasu TIG-hitsauksessa johtuen sen hyvästä suojavaikutuksesta, hitsausteknisistä ominaisuuksista ja helposta valokaaren syttymisestä. Valokaaren stabiilisuutta ja plasman juoksevuutta voidaan parantaa lisäämällä siihen erittäin pieniä määriä (0,01 %) happea tai hiilidioksidia. Heliumilla on korkeampi kaarijännite, mistä syystä hitsausenergia ja tunkeuma ovat suuremmat. Tätä ominaisuutta voidaan hyödyntää suurempana hitsausnopeutena ja pienempänä esikuumennustarpeena hyvin lämpöä johtavilla materiaaleilla kuten alumiini ja kupari. Argonin ja heliumin seoksilla voidaan käyttää hyväksi kummankin kaasun etuja, lähinnä alumiinin ja kuparin hitsauksessa. Argonin ja vedyn kaasuseos mahdollistaa austeniittisten

36 33 ruostumattomien terästen koneellisessa TIG-hitsauksessa suuremman hitsausnopeuden ja suuremman tunkeuman, joita voidaan hyödyntää esim. putkivalmistuksessa pituushitseissä. Vetypitoisuus on yleensä alle 10 %, mutta jopa yli 20 % vetyseosta käytetään. Hitsin pinta on myös kirkas, koska vety on pelkistävää kaasua Suojakaasun virtaus Etu- ja jälkivirtausaika Suojakaasun virtausta ohjaava magneettiventtiili avautuu välittömästi hitsauspistoolin käyttökytkimen painalluksen jälkeen. Hitsaamisen loputtua magneettiventtiili sulkeutuu erikseen säädettävän jälkivirtausajan kuluttua. Kuva 17. Suojakaasun etu- ja jälkivirtausajan säädöt Suojakaasun etuvirtauksella varmistetaan, että volframielektrodilla ja hitsauksen aloituskohdalla on kaasusuojaus ennen valokaaren syttymistä. Suojakaasun jälkivirtauksella suojataan jäähtyvää hitsiä ja etenkin jäähtyvää volframielektrodia hapettumiselta. Riittävän pitkä jälkivirtausaika jättää volframielektrodin kärjen kirkkaan väriseksi. Liian lyhyt jälkivirtausaika hapettaa elektrodin, jolloin sen väri muuttuu tummaksi ja kuluminen lisääntyy jopa 30 % aiheuttaen lisäksi hitsausvirheitä.

37 34 Suojakaasun virtauksen säätö TIG-hitsauksessa Tarvittavaan kaasuvirtaukseen vaikuttavat monet tekijät: suojakaasun laatu, hitsattava perusaine, hitsausvirran suuruus, railomuoto, suuttimen koko ja työpaikan ympäristöolosuhteet. Tyypillinen kaasuvirtaus argonkaasulle on n l/min, kuva 18. Heliumvaltaisilla kaasuseoksilla kaasuvirtauksen täytyy olla 2-3 kertaa suurempi johtuen heliumin keveydestä. Suojakaasun todellinen virtausmäärä on tarpeellista tarkistaa säännöllisesti hitsauspistoolista tarkistusrotametrillä, kuva 19. Kuva 18. Suojakaasun virtausmääriä eri perusaineille Kuva 19. Suojakaasun virtausmäärän mittaus hitsauspistoolin kaasusuuttimesta tarkistusrotametrillä

38 Valintataulukko TIG-suojakaasuille TIG-hitsauksen suojakaasut eri materiaaleille on esitettynä taulukossa 4. Useampia vaihtoehtoja on monelle materiaalille ja sopivin on haettava sovelluskohteen mukaisesti. Taulukko 4. TIG-hitsaussuojakaasujen käyttökohteet TIG-HITSAUSSUOJA- KAASUJEN KÄYTTÖKOHTEET Argon Ar Ar-He Ar + 30 % He SH-5 Ar + 5 % H2 Helium N46 Awodrop Ar + 0,01 % O2 Formier 12 % H2 + N2 (juurisuojakaasu) Seostamattomat teräkset Niukkaseosteiset teräkset Runsasseosteiset, austeniittiset teräkset Runsasseosteiset, ferriittiset, martensiittiset ja duplexteräkset Alumiini ja sen seokset Kupari ja sen seokset Titaani X O X X O X X O X X X X O X X X X X X X X X X X X X X SUOSITELLAAN SUOJAKAASUKSI O VAIHTOEHTO SUOJAKAASUKSI (tarkasteltava tapauskohtaisesti) 3.3 Plasmahitsaus Plasmahitsaus (engl. plasma arc welding, PAW) on kaasukaarihitsausta, jossa valokaari palaa sulamattoman volframielektrodin ja työkappaleen välillä suoja- ja

39 36 plasmakaasun ympäröimänä. Pääasiallinen lämmönlähde on sähköä johtava kaasuseos, plasma, joka on aikaansaatu nostamalla kaasun lämpötila riittävän korkeaksi. Plasman lämpötila on n C. Plasmahitsaus muistuttaa TIGhitsausta, mutta valokaari on sylinterimäinen, kun se TIG-hitsauksessa on kartiomainen, kuva 20. Plasmasuuttimesta purkautuva kaasuvirtaus ei riitä suojaamaan hitsisulaa, mistä syystä tarvitaan vielä erillinen suojakaasu. Suojakaasu Elektrodi Plasmakaasu Suojakaasu Kaasusuutin Kaasusuutin Valokaari Työkappale Plasma Kuva 20. TIG- ja plasmahitsauksen vertailu Plasmahitsaus on ainoa kaarihitsausprosessi, jonka energiatiheys on riittävän korkea lävistävän hitsauksen aikaansaamiseksi samalla tavoin kuin sädehitsausprosesseissa. Plasmahitsaus on lähes aina mekanisoitu tai automatisoitu prosessi. Hitsaajan tehtävänä on siinä valvoa ja mahdollisesti tehdä tarvittavia korjaustoimenpiteitä. Plasmahitsauspolttimessa on kaksi toisistaan erillään olevaa kaasuvirtausta, kuva 21. Sisemmän plasmasuuttimen kautta johdetaan elektrodia ympäröivän suuttimen läpi purkautuva plasmakaasuvirtaus, joka on tavallisesti argon tai argon-vetyseos. Ulompi kaasuvirtaus johdetaan plasmasuuttimen ja kaasusuuttimen välistä

40 37 plasmakaasun ympärille. Sen tehtävänä on suojata hitsaustapahtuma ulkopuoliselta ilmalta. Kuva 21. Plasmahitsaus ja plasmasuihkuhitsaus Suojakaasuna voidaan käyttää inerttejä tai aktiivisia kaasuja tai kaasuseoksia. Suojakaasun virtausmäärä on suuri verrattuna plasmakaasuun. Kahden erillisen kaasuvirtauksen käyttö tarjoaa mahdollisuuden erilaisten plasma- ja suojakaasuyhdistelmien käyttöön ja hitsaustapahtuman tehostamiseen. Plasmahitsaus voidaan tehdä joko lisäaineen kanssa tai ilman lisäainetta. Lisäainetta käytettäessä sitä syötetään langansyöttölaitteen avulla hitsisulaan TIGhitsauksen tapaan. Plasmahitsauksen etuja ja haittoja ovat: Edut: - suuri tunkeuma - I-railohitsaus aina 10 mm saakka yhdellä palolla - luotettava yhdeltä puolelta hitsaus - roiskeeton - pienet muodonmuutokset - matala ja juoheva hitsikupu - vähän hitsaushuuruja

41 38 Haitat: - usein kalliit laiteinvestoinnit - edellyttää juurikaasun käyttöä - hitsausparametrien tarkka säätö - railon valmistus- ja sovitustarkkuudet suuret Plasmahitsauksen eri muodot Plasmahitsaus sulattavalla valokaarella Sulattava plasmahitsaus on TIG-hitsauksen kaltainen. Siinä plasmakaari sulattaa ja muodostaa valokaaren alle railoon hitsisulan, kuten TIG-hitsauksessakin. Plasmahitsaus lävistävällä valokaarella Lävistävässä plasmahitsauksessa plasmapatsas syrjäyttää altaan sulan metallin suuren kineettisen voimavaikutuksen ja lämpökeskittymän ansiosta, jolloin railoon muodostuu plasmahitsaukselle tunnusomainen reikä. Kuljetettaessa poltinta eteenpäin kaaren sulattama metalli virtaa plasmapatsaan sivuitse rei än taakse yhtenäiseksi sulaksi ja jähmettyy hitsiksi. Lävistävän plasmahitsauksen tärkein etu on yksipalkohitsaus aina 10 mm ainepaksuuksiin asti. Jauheplasmahitsaus Jauheplasmahitsauksessa (PPAW, powder plasma arc welding) syötetään lisäaineena käytettävää metallijauhetta polttimen kautta hitsiin. Tätä varten on erillinen jauheensyöttölaite ja erikoisrakenteinen jauheensyöttöpäällä varustettu plasmapoltin. Jauheplasmahitsausta on käytetty perinteisesti päällehitsaukseen, mutta viime aikojen kehitystyön ansiosta sitä on sovellettu liitoshitsaukseen ja myös robottisovelluksiin.