Lasse Rauhala VASTAPAINOTOIMINEN JUURIKAASUKENKÄ

Transkriptio

1 Lasse Rauhala VASTAPAINOTOIMINEN JUURIKAASUKENKÄ Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Toukokuu 2009

2 Yksikkö Tekniikka ja liiketalous, Kokkola Koulutusohjelma Kone- ja tuotantotekniikka Työn nimi Vastapainotoiminen juurikaasukenkä Työn ohjaaja ins. AMK Pauli Karppinen Työelämäohjaaja ins. AMK Juha Ojala Aika Tekijä/tekijät Lasse Rauhala Sivumäärä Tässä opinnäytetyössä tutustutaan yleisesti ruostumattomaan teräkseen materiaalina, sen käyttöön ja ominaisuuksiin. Opinnäytetyö käsittelee myös yleisiä plasma- ja TIGhitsausprosessin periaatteita, suojakaasujen ominaisuuksia sekä joitakin putkihitsaukseen liittyviä näkökohtia. Plasma- ja TIG-hitsauksen eräänä haittapuolena voitaneen pitää juurensuojauksen tarvetta. Erilaiset putkitulpat ja laipat suojakaasulle ovat toimivia, mutta suurissa putkissa tilavuudet ovat myös suuria, joten huuhteluajat ovat pitkiä ja kaasumäärät ovat merkittäviä. Työn tavoite oli jatkosuunnitella FineWeld Oy:lle laite TIG- ja plasmahitsauksen juurikaasutukseen suurikokoisille ruostumattomille austeniittisille vakioteräsputkille. Vastapainotoimisesta juurikaasutuskengästä oli olemassa periaatekuva ja toimintaidea sekä tieto siitä, että vastaavalla periaatteella toimiva laitteita on olemassa. Laitteesta ei myöskään ollut saatavalla juuri mitään tietoa eikä kuvia, ainoastaan toimintaperiaate. Laitteen vaatimukset olivat helppokäyttöisyys ja toimintavarmuus. Hyvin pian tuli myös selväksi, ettei kaupallista versioita vastaavasta laitteesta ole olemassa, joten sitä piti alkaa kehittellä olemassa olevien tietojen perusteella. Onnistumalla kehittelemään toimivan, pieneen kaasutilaan perustuvan, kaasukenkätyyppisen laitteen, saadaan aikaiseksi selkeitä säästöjä niin ajallisesti kuin kaasun kulutuksessa. Asiasanat TIG-hitsaus, plasmahitsaus, juurikaasu, ruostumaton teräs

3 CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Date Author Lasse Rauhala Degree programme Mechanical and Production Engineering Name of thesis A Counterweight Backing Gas Saddle Instructor Pauli Karppinen Supervisor Juha Ojala Pages 49+1 Appendix This thesis presents stainless steel, its use and properties in general. The thesis also deals with the general principles of protoplasm and TIG welding, the properties of inert gases and some considerations regarding the pipe welding. The need for backing protection could possibly be considered as a drawback of protoplasm and TIG welding. Different pipe plugs and flanges to the inert gas are functional, but in big pipes the volumes are also big, so the rinse times are long and the gas capacity is significant. The objective of the study was to plan a device for the backing gasification of TIG and plasma welding in big, rustproof, austenitic, standard steel pipes. The principle picture and operation idea of a counterweight backing gas saddle existed and information on devices operating according to a similar principle existed. But hardly any information or pictures of the device existed, only the operating principle. The demands of the device were the ease of use and reliability. Very soon it also became clear that because any commercial versions of the device did not exist, the device should be developed on the basis of the existing information. So the task would be to develop a small backing gas saddle which would operate in a tight space, achieving clear savings both in time and in gas consumption. Key words GTAW, TIG, PAW, backing gas, stainless steel

4 SISÄLLYS TIIVISTELMÄ ABSTRACT 1 JOHDANTO 1 2 FINEWELD OY 3 3 RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET Yleistä Terästyypit Terästyyppien käyttöalueet Austeniittinen ruostumaton teräs Terästen merkintäjärjestelmä Ruostumattomien terästen hitsattavuus Ruostumattoman teräksen standardeja 8 4 KORROOSIO Sähkökemiallinen korroosio Pistekorroosio Korroosionkeston varmistaminen hitsauksessa Varastointi 11 5 HITSAUS Kaarihitsaus Kaarienergia 14 6 TIG-HITSAUS TIG-hitsauslaite Virtalähteet Elektrodi Elektrodin kärjen muoto Lisäaineet Lisäaineen valinta 19 7 PLASMAHITSAUS TIG- ja plasmahitsauksen erot Plasma Plasmakaari Plasmahitsauslaitteisto ja virtalähde 23

5 7.4.1 Plasmapoltin Elektrodi ja lisäaineet Plasmakaasu ja suojakaasut Plasmahitsauksen toimintaperiaatteet Käyttö 25 8 TYÖTURVALLISUUS 27 9 SUOJAKAASUT Suojakaasun tehtävät Kaasujen ominaisuudet Kaasuseokset JUUREN SUOJAUS Juuren suojakaasut Juurikaasun virtaus Huuhteluaika Kaasuletkut PUTKIHITSAUS Koostumusvaihtelut putkissa Railon muoto ja vetelyt Juurensuojaus putkissa Hitsaus esivalmistuksessa KAASUKENKÄ Suunnittelu Runko Jalat Kaasukenkä Kaasukengän tiivistys Kaasuletku Vaihtoehtoisia rakenteita Muuta Laitteen kokoaminen Lopputulos POHDINTA LÄHTEET 47 LIITE 1 Kaasukenkä

6 1 1 JOHDANTO Työn tavoitteena oli kehitellä työkalua FineWeld Oy:lle helpottamaan juurensuojausta suuria putkia hitsattaessa. Nykyisin putkistot hitsataan käsinhitsauksena konepajalla pääsääntöisesti ruostumattomasta teräksestä mahdollisimman valmiiksi, jolloin asennusvaiheessa jää vähemmän tarvetta hitsaukselle. Pitkälle viety esivalmistus pajalla mahdollistaa paremmat hitsausolosuhteet ja hitsausapuvälineiden käytön vaikeisiin työmaaolosuhteisiin nähden. Tarve työkalun kehittelylle on ollut olemassa jo pitkään, mutta suurin ongelma on jatkuva kiire ja ajan puute joiden vuoksi kehittelyprojektit yleensä jäävät alkutekijöihin. Tämän projektin puitteissa oli mahdollisuus laittaa kehittelyprojekti alkuun ja päästä kokeilemaan laitteen rakennetta sekä havainnoida eteen tulevia ongelmia. Prototyypin rakentaminen ja kokeileminen on ehdottoman tärkeää laitteen toimintaperiaatteen selvittämiseksi. Kokeilemalla prototyyppiä käytännössä, saadaan selville laitteen heikkoudet ja näin voidaan helpommin aloittaa laitteen parantelu. Työn etenemisen kannalta on myös tärkeää tietää mahdollisimman paljon materiaaleista ja työmenetelmistä sekä niistä ilmiöistä joita työmenetelmät aiheuttavat ruostumattomille teräksille. Teräslaatujen ominaisuudet erilaisissa käyttöympäristöissä ja kohteissa ovat hyvin erilaisia ja niiden käyttöalueet on tarkoin määritelty standardeissa. Eräs keskeinen ongelma on korroosio, joka ruostumattomien terästen kohdalla on hyvin vaativa tekijä. Korroosion torjunnan kannalta on ratkaisevaa valita oikea rakenneaine oikeaan paikkaan, sekä tietää oikeat työmenetelmät. Hitsausmenetelmistä kaarihitsaus on käytetyin hitsausprosessi ruostumattomien putkistojen esivalmistelussa pajalla. TIG-hitsaus on yleisin kaarihitsausmenetelmä putkien asennushitsauksessa ja se tehdään yleensä käsinhitsauksena, kun taas plasmahitsaus on enemmän mekanisoitua hitsausta. Plasma-ja TIG-hitsauksen eräänä haittapuolena voidaan pitää juurensuojauksen tarvetta. Erilaiset putkitulpat ja laipat suojakaasulle ovat toimivia, mutta suurissa putkissa tilavuudet ovat myös suuria, joten huuhteluajat ovat pitkiä. Hitsattaessa ruostumattomia teräksiä lämpölaajeneminen saa aikaan teräspinnan suojaavan passiivikalvon rikkoutumisen ja hapettumisen. Jos hitsiä ei suojata, sille ei tehdä jälkikäsittelyä tai lisäaine on väärin seostettua, tapahtuu hitsissä korroosiota. Ruostumattomien putkistojen vuotojen syyksi löytyy käytännössä hyvin usein huonosti tehty juurensuojaus.

7 2 Kun putkistojen esivalmistus tapahtuu konepajalla tai vastaavissa olosuhteissa, hitsattavia putkia voidaan pyörittää. Pyörittäjän avulla hitsaus voidaan suorittaa vakioasennossa ja siten mahdollistaa vastapainotoimisen juurensuojalaitteen käyttämisen. Tässä työssä oli tarkoitus kehitellä ja etsiä ratkaisua helppokäyttöisen, sekä toimintavarman kaasukengän valmistamiseksi.

8 3 2 FINEWELD OY FineWeld Oy on vuonna 1996 perustettu, teollisuusputkistoasennuksiin erikoistunut yritys. Toiminta-ajatuksena on siirtää mahdollisimman suuri osa valmistusprosessista omaan konepajaan; näin työn laatu pysyy korkeana ja tasaisena erikoislaitteiden ja automatisoinnin sekä hyvien työskentelyolosuhteiden ansiosta. Pitkälle kehitetty tuotteiden esivalmistus omassa konepajassa mahdollistaa myös erikoislaitteiden käytön sekä hitsausprosessien automatisoinnin. Putkistot ja teräsrakenteet esivalmistetaan konepajalla ja asennetaan paikalleen lyhyessä ajassa pienellä työmaamiehityksellä. Asiakkaan tiloissa tehdään vain esivalmisteiden asennustyöt. Esivalmistuksen korkea aste vähentää valmistustyötä ja osien varastointitarvetta asiakkaan tiloissa. Tuotannonsuunnittelu ja -ohjaus sekä materiaalivirtojen hallinta perustuvat viivakoodiseurantaan, joten yrityksen toiminta eroaa merkittävästi muista saman alan urakointiyrityksistä. Järjestelmän avulla asiakkaalle saadaan reaaliaikainen tieto mm. projektin etenemisestä ja valmiusasteesta. (FineWeld 2009.) Nykyisin FineWeld Oy on yksi Pohjoismaiden suurimmista teollisuusputkistojen valmistukseen ja asennukseen erikoistuneista yrityksistä. Suurimpia asiakkaita ovat kaivosteollisuus, metsä- ja kemianteollisuus sekä prosessiteollisuus. Yrityksen liikevaihto oli 15,1 milj. euroa vuonna 2007 ja henkilöstön määrä n Tytäryrityksiä ovat Fineweld Asennus Oy, Ketepa Oy ja Priotek Oy. (FineWeld 2009.)

9 4 3 RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET 3.1 Yleistä Ruostumattomat teräkset, joita kutsutaan arkikielessä usein nimellä rosteri (ruots.rostfria stål, engl.stainless steels, saks.edelstahl rostfrei tai nichtrostende stähle), ovat seosteräksiä joihin on lisätty vähintään 10,5 % kromia. Muita tyypillisiä seosaineita ovat molybdeeni, nikkeli ja typpi. Kromiseostuksen ansiosta ruostumaton teräs reagoi hapen kanssa muodostaen pintaan erittäin ohuen, tiiviin kromioksidikalvon, joka suojaa terästä korroosiohyökkäyksiltä. Suojakalvon muodostumista metallipinnalle kutsutaan passivoitumiseksi. Hapetusreaktion vaikutuksesta muodostunut tiivis passiivikerros on erittäin ohut, vain 1-5 nanometriä (1 nm = 0, mm). Se on valoa läpäisevä ja siksi pinta on metallisen kirkas. Suojakerros on hapettavissa olosuhteissa helposti uusiutuva joten naarmut ja muut pintaa vaurioittavat kolhut korjautuvat kuin itsekseen. Ruostumattomien terästen tiheydet ovat kg/m 3, riippuen seoksista. Ruostumaton teräs on käytössä pitkäikäinen ja siksi myös ekologinen materiaali. Se on täysin kierrätettävä materiaali, jonka pääasiallisena raaka-aineena on kierrätysteräs. (Korroosiokäsikirja 1988, 98.) 3.2 Terästyypit Ruostumattomat teräkset jaotellaan niiden metallurgisten faasirakenteiden mukaan eri lajeihin, joita ovat (kuvio 1) : martensiittiset austeniittiset ferriittiset austeniittis-ferriittiset, (duplex-teräkset) joissa yhdistyvät sekä austeniittisten että ferriittisten ruostumattomien terästen hyvät ominaisuudet. (Taulavuori & Kyröläinen & Tarkiainen 2004, 7.)

10 5 KUVIO 1. Kromi- ja nikkeliseosteisten terästen mikrorakenteet huoneenlämpötilassa (Taulavuori ym. 2004, 7.) 3.3 Terästyyppien käyttöalueet Korroosion torjunnan kannalta on ratkaisevaa valita oikea rakenneaine oikeaan paikkaan. Tätä varten on tiedettävä eri terästyyppien saatavuudet, käyttöalueet, ominaisuudet ja niiden käyttäytyminen eri korroosioympäristöissä (kuvio 2). Näitä rakennetietoja on löydettävissä toimittajien luetteloista ja korroosiotaulukoista. Ferriittiset ruostumattomat teräkset eli ns. kromiteräkset, ovat ominaisuuksiltaan verrattavissa hiiliteräksiin. Yleisimmät ferriittiset teräkset ovat ja sekä , jonka käyttö on yleistynyt kantavissa rakenteissa. Austeniittis-ferriittiset eli duplex-teräkset ovat seoksia, joiden mikrorakenne koostuu kahdesta eri kiderakenteesta. Duplex-teräksiä, kuten , käytetään mm. pumppujen pesämateriaalina sekä prosessiteollisuuden säiliöissä. Martensiittiset ruostumattomat teräkset ovat karkaistavia ja lujia teräksiä ja niitä käytetään mm. veitsien terämateriaaleina, ruokailuvälineissä ja turpiinien siivissä. Ruostumattomien terästen fysikaaliset ominaisuudet tyyppikohtaisesti on esitetty standardissa SFS-EN (Taulavuori ym. 2004, 7; Korroosiokäsikirja 1988, 162.)

11 6 KUVIO 2. Tyypillisiä ruostumattomien terästen jännitys-venymäkäyriä, vetokoe tehty 5 mm pyöreällä vetosauvalla (Taulavuori ym. 2004, 11.) 3.4 Austeniittinen ruostumaton teräs Ruostumattomista teräksistä yleisimpiä ovat austeniittiset laadut. Austeniittisissa teräksissä yhdistyvät hyvä korroosionkestävyys, muovattavuus ja valmistusominaisuudet. Teräslaji eli ns. rosteri, soveltuu maaseutuympäristöön, kaupunkiympäristöön sekä vähän rasitettuihin teollisuusympäristöihin. AISI 316:n tyyppiset teräslajit ovat enemmän seostettuja ja käyttäytyvät hyvin meri- ja teollisuusympäristöissä. Yleisimmin käytetyt ruostumattomat austeniittiset CrNiteräslajit ovat (Polarit 725, SS2333, AISI 304) ja molybdeeniseosteiset eli ns. haponkestävät, (Polarit 757, SS2343, AISI 316), ovat tunnetuimpia ruostumattomia teräslajeja ja niitä on noin 95 % kaikista Suomessa käytetyistä ruostumattomista teräksistä. (Euro Inox. 2002, 11.) Austeniittista rakennetta stabiloivia seosaineita ovat C, Mn, Ni, Cu ja N, ja siksi toisena pääseosaineena austeniittisissa teräksissä on aina kromin lisäksi nikkeliä ja/tai mangaania. Austeniittiin liukenevat hiili ja etenkin typpi, lisäävät teräksen myötölujuutta, ja molybdeeni parantaa pistesyöpymiskestävyyttä kloridipitoisissa liuoksissa. Austeniittisten vakioterästen Cr, Ni ja Mo pitoisuudet vaihtelevat seuraavissa rajoissa: noin % kromia, 6-15 % nikkeliä ja 0-3 % molybdeenia. (Kyröläinen & Lukkari 1999, 157; Euro Inox. 2002, 11.)

12 7 3.5 Terästen merkintäjärjestelmä Ruostumattomien terästen standardissa EN käytetty merkintäjärjestelmä vastaa eurooppalaista teräksen numeroon ja nimeen perustuvaa järjestelmää. Esimerkiksi teräslajin numero sisältää seuraavat asiat: Ensimmäinen numero 1 tarkoittaa terästä, 43 ruostumattomien terästen yhtä ryhmää, ja 07 on yksittäisen teräslajin tunnus. Teräksen nimijärjestelmä taas sisältää perustietoa teräksen koostumuksesta. Numeroa vastaavan teräksen nimi on X2CrNi18-9, jossa X tarkoittaa runsaasti seostettua terästä, 2 on hiilipitoisuusprosentti satakertaisena, CrNi on pääseosaineiden kemiallinen merkintä ja 18-9 on pääseosaineiden pitoisuusprosentti. (Euro Inox. 2002, 12.) TAULUKKO 1. Muutamia esimerkkejä standardilajien vastaavuuksista 3.6 Ruostumattomien terästen hitsattavuus Austeniittisten ruostumattoman teräksen hitsattavuusominaisuudet ovat hyvät. Hitsauksessa on otettava huomioon fysikaaliset peruserot seostamattomiin teräksiin verrattuna. Näitä ovat matalampi sulamispiste, pienempi lämmönjohtavuus, suurempi sähköinen ominaisvastus, suurempi lämpölaajenemiskerroin ja epämagneettisuus. Näillä ominaisuuksilla on vaikutusta mm. lisäaineen ja perusaineen sulamiseen sekä hitsausmuodonmuutoksiin. Hitsattaessa ruostumattomia teräksiä

13 8 lämpölaajeneminen saa aikaan teräspinnan suojaavan passiivikalvon rikkoutumisen ja sitä kautta hapettumisen, jonka voi nähdä metallipinnalle syntyneistä päästöväreistä. Päästöväreille on olemassa erilaisia värikarttoja. Voidaankin pitää sääntönä, että hyvälaatuinen hitsi on pinnaltaan kirkas ja hopeanhohtoinen, myös lievästi kellertävät sävyt ovat yleisesti hyväksyttäviä päästövärejä. Virheelliset hitsit voi havaita eriasteisina voimistuvina sinisen sävyinä mitä huonompi laatuinen hitsi on kyseessä. (Lukkari 2003a, 10.) Huonosti suojatulle hitsille muodostuu kuuman teräspinnan hapettumisen vuoksi uusi hauras ja eitiivis oksidikerros, johon on rikastunut kromia alla olevasta teräksestä, johon puolestaan on jäänyt kromiköyhä alue. Syövyttävä aine pääsee tunkeutumaan alempaan kerrokseen, koska päällimmäinen kerros ei pysty suojaamaan sitä. Syöpymäkohdat voivat kasvaa hyvin nopeasti läpi teräspinnan ja aiheuttaa vuotoja. (Korroosiokäsikirja 1988, 103; Kyröläinen & Lukkari 1999, 158.) 3.7 Ruostumattoman teräksen standardeja Yleisiä ruostumatonta terästä koskevia standardeja ovat seuraavat. EN Ruostumattomat teräkset. Osa 1: Ruostumattomien terästen luettelo EN Ruostumattomat teräkset. Osa 2: Yleiseen käyttöön tarkoitetut korroosionkestävät levyt ja nauhat. Tekniset toimitusehdot EN Ruostumattomat teräkset. Osa 3: Yleiseen käyttöön tarkoitetut korroosionkestävät tangot, valssilangat, langat, profiilit, kirkkaat tuotteet ja puolivalmisteet. Tekniset toimitusehdot EN Painelaiteteräkset. Levytuotteet. Osa 7: Ruostumattomat teräkset EN Hitsatut painelaiteteräsputket. Tekniset toimitusehdot. Osa 7: Ruostumattomat teräsputket ASTM A240 Ruostumattomat teräkset, nauhat ja levyt paineastioihin (lajit, koostumus ja mekaaniset ominaisuudet) ASTM A480 Ruostumattomat teräkset, tekniset toimitusehdot (koestusvaatimukset, toimitustilat, mittatoleranssit, ainestodistukset).

14 9 4 KORROOSIO Metallien korroosio jaetaan kahteen pääryhmään, kemialliseen ja sähkökemialliseen korroosioon. Kemiallinen korroosio eli ns. kuivakorroosio on syöpymistä, jossa metallipinta reagoi suoraan ympäristön kaasujen kanssa, kuten hapen, rikkihöyryjen tai rikkivedyn. Standardissa SFS 4596/1 jaetaan ympäristön vaikutukset korroosioon viiteen eri luokkaan, M0-M4, ilmasto-olosuhteiden rasitustekijöiden perusteella. Sähkökemiallista korroosiota ilmenee, jos hitsiä ei suojata, sille ei tehdä jälkikäsittelyä tai lisäaine on väärin seostettua. (Kyröläinen & Lukkari 1999, 38; Korroosiokäsikirja 1988, 100.) 4.1 Sähkökemiallinen korroosio Kemiallista korroosiota yleisempi ilmiö on sähkökemiallinen korroosio, ns. märkäkorroosio. Sähkökemiallisessa korroosiossa metallipinta reagoi sähkövarausten välityksellä nestemäisessä ympäristössä. Metallin, joka toimii elektrodina, sekä vesiliuoksen välille muodostuu rajapinta, koska niiden välillä on tietty sähköinen potentiaaliero, josta syntyy ns. korroosiopari. Metallin pintaan muodostuu kahdenlaisia alueita, anodisia ja katodisia. Anodinen alue liuottaa metallia, ja siten vapautuneet elektronit siirtyvät katodiselle alueelle, joka taas luovuttaa ne eteenpäin. Potentiaalieroja aiheuttavat mm. materiaalien väliset jalouserot, metallin muokkaus, työstövaiheesta, kuten hitsaus, aiheutuneet sisäiset jännitystilat, lämpökäsittelyt, lämpötilaerot, rakenteissa olevat hajavirrat sekä nesteen koostumus. (Korroosiokäsikirja 1988, 29.) Ruostumattoman teräksen passiivikalvon paikallisesti murtuessa esimerkiksi kolhun johdosta, syntyy tilanne jossa, korroosio keskittyy pienelle anodiselle alueelle katodisen ollessa suuri, jolloin korroosio voi edetä hyvinkin nopeasti. Sähkökemiallisesta korroosiosta aiheutuva syöpymisnopeus on suoraan verrannollinen virtapiirissä kulkevaan virtaan. Hapettunut pinta heikentää korroosionkestävyyttä etenkin pistekorroosioita aiheuttavissa kloridipitoisissa ympäristöissä, joita voivat olla jopa harmittoman tuntuiset jätevedetkin. (Korroosiokäsikirja 1988, 99, 222; Taulavuori ym. 2004, 15.)

15 10 Sähkökemiallisen korroosion esiintymismuotojen yleinen jaottelu: Yleinen syöpyminen Paikallinen syöpyminen pistesyöpyminen rako- eli piilokorroosio Galvaaninen eli kontaktikorroosio Pintaan kohdistuvan mekaanisen rasituksen aiheuttama syöpyminen eroosiokorroosio kavitaatiokorroosio hiertymiskorroosio Raerajakorroosio Valikoiva syöpyminen Jännitystilan ja korroosion yhteisvaikutuksesta aiheutuva murtuminen jännityskorroosio korroosioväsyminen. (Korroosiokäsikirja 1988, 100.) Yleinen syöpyminen riippuu teräksen passiivikerroksen säilymisestä. Jos hitsiä ei suojata, sille ei tehdä jälkikäsittelyä tai lisäaine on väärin seostettua, voi yleistä korroosioita tapahtua hitsissä. (Kyröläinen & Lukkari 1999, 38.) 4.2 Pistekorroosio Yleisimmät korroosiomuodot ruostumattomilla teräksillä ovat piste- ja rakokorroosio. Pistekorroosio syntyy mekaanisesti, pintavirheiden tai sulkeumien yms. johdosta aiheuttaen suojaavan passiivikalvon rikkoutumisen. Yleensä pistekorroosio lähtee etenemään rakokorroosiomenetelmällä kappaleen sisällä koska pieniin ja ahtaisiin paikkoihin ei pääse happea muodostamaan suojaavaa oksidikalvoa. (Euro inox. 27; Kyröläinen & Lukkari 1999, 46.) Pistekorroosio on arvaamaton, koska se etenee hyvinkin nopeasti. Se etenee kuitenkin harvoin paksujen kappaleiden läpi, mutta ohutseinämäisissä putkistoissa ja säiliöissä se saattaa edetä seinämien läpi aiheuttaen vuotoja. Pistekorroosiota voidaan estää oikeilla materiaalivalinnoilla,

16 11 rakennesuunnittelulla jälkikäsittelyillä, kuten peittauksella, hitsin pinnan hionnalla sekä hitsin suojaamisella. Piste- ja rakokorroosioita parantavat seosaineista kromi, molybdeeni ja typpi. (Korroosiokäsikirja 1988, 162.) Piste- ja rakokorroosio ovatkin suurin yksittäinen korrodisoiva tekijä. Lähes kaikki korroosiomuodot alkavat pinnan passiivikalvon rikkoutumisen aiheuttamasta tekijästä, pistekorroosiosta, joka taas vaikuttaa etenemällä erilaisina rakokorroosiotyyppisinä esiintymismuotoina rakenteessa ja perusaineessa. Näihin vaikuttavat mm. jatkuva korkea lämpötila, vetojännitystilat, ympäristö sekä kloridien läsnäolo. Pistekorroosiokestävyydelle on määritelty pistekorroosioindeksi, PRE (Pitting Resistance Equivalent). Teräslajilla 1,4301 on heikoin asteikolla 1-10 oleva pistekorroosiokestävyys jonka vuoksi sitä ei suositella vaikeisiin teollisuusympäristöihin. (Euro inox. 27; Kyröläinen & Lukkari 1999, 46.) 4.3 Korroosionkeston varmistaminen hitsauksessa Hitsausliitos on aina epäjatkuvuuskohta perusmetallissa. Jähmettyessään teräksen seosaineet jakaantuvat uudelleen ja perusaineen mikrorakenteeseen tulee epätasaisia kohtia, jotka yleensä ilmenevät ns. köyhtyneinä alueina perusaineessa. Hitsauksen alkuvalmistelussa on otettava huomioon oikeanlaiset olosuhteet, lisäainevalinnat, perusaineet ja rakenteellinen muotoilu, jotka ovat ulkoisesti tärkeitä ominaisuuksia. Itse hitsausprosessissa on huomioitava oikeanalainen lämmöntuonti, hitsausnopeus, tekniikka sekä huolellinen jälkikäsittely, kuten juurensuojaus. Muita jälkikäsittelyjä ovat lämpökäsittelyt, harjaus, erilaiset puhallukset, hionta ja kiillotus, passivointi ja peittaus. Yleisesti ottaen huolimaton työnjälki, ympäristön pölyisyys, puhdistamattomat hitsit sekä huono varastointi lisäävät hitsausvirheiden syntymistä ja sitä kautta korroosioriskin mahdollisuutta. (Kyröläinen & Lukkari 1999, 145.) 4.4 Varastointi Ruostumattoman teräksen ohuenohut passiivikalvo on herkkää iskuille ja vauriolle. Huolellinen varastointi ja suojaaminen säilyttävät ruostumattoman teräksen ulkonäön ja ominaisuudet parhaiten. Tämä tulee myös huomioida siirtelyssä ja kuljetuksissa, eli laahamista ja kovaa käsittelyä on

17 12 vältettävä. Ruostumattoman teräksen pintaan joutuu pölyisissä konepaja-, työmaa- ja asennusolosuhteissa hiiliteräspölyä ja hitsausroiskeita. Nämä saattavat aiheuttaa myös pinnan ruostumista, joka edesauttaa korroosioilmiön liikkeelle lähtöä. Ruostumatonta terästä on työstettävä sille sopivilla työkaluilla. Seostamattomasta teräksestä valmistetut työkalut voivat jättää ruostumattoman teräksen pintaan pieniä rautahiukkasia, mikä saattaa aiheuttaa ruosteen muodostumista. Huolellinen varastointi ja suojaaminen säilyttävät ruostumattoman teräksen ulkonäön ja ominaisuudet parhaiten. (Kyröläinen & Lukkari 1999,146.)

18 13 5 HITSAUS Hitsauksella on suuri merkitys metalliteollisuudelle. Hitsaus onkin yleisin ja tärkein terästen ja eirautametallien liittämismenetelmä, ja se tulee vielä pitkään säilyttämään ykkösasemansa terästen liittämismenetelmänä. Lähes kaikki metalliteollisuudessa työskentelevät joutuvat väistämättä tekemisiin hitsaukseen liittyvien asioiden kanssa. Hitsauksen merkitys kansantaloudellisesti on merkittävä. Se vaikuttaa kansainvälisten selvitysten mukaan suoraan ja välillisesti jopa 50 %:iin kansantuotteesta. (Lukkari 2003a, 3.) Suurin yksittäinen kustannuserä hitsauksessa on luonnollisesti työkustannukset, siksi hitsauksessa on pyrittävä käyttämään tehokkaita ja tuottavia hitsausmenetelmiä sekä välineitä. Putkihitsauksessa itse hitsausprosessi muodostaakin pienen osan varsinaisesta työajasta joka sisältää pääosin esivalmisteluja. Työvaltaisissa valmistusmenetelmissä, jollainen käsin kuljetettava hitsaus on, työkustannukset ovat yleensä selvästi suurin kustannuserä. Työkustannusten osuus hitsauksessa on yleensä %, ja loppu jakaantuu lisäaineille, suojakaasuille, koneille ja energialle. Jos työkustannukset muodostavat esimerkiksi 80 % kokonaiskustannuksista ja hitsausainekustannukset 20 %, niin 10 %:n säästö työkustannuksissa merkitsee 8 %:n säästöä kokonaiskustannuksissa. Tuottavuuden parantaminen onkin taloudellisesti hyvä syy menetelmien kehittämiselle ja päivitykselle. (Lukkari 2005, 8.) 5.1 Kaarihitsaus Hitsausmenetelmistä kaarihitsaus on käytetyin hitsausprosessi putkistojen esivalmistelussa pajalla, ja kaarihitsausmenetelmistä TIG-hitsaus on yleisin menetelmä putkien asennushitsauksessa. Kaarihitsauksessa energian lähteenä toimii sähkö. Sähköenergia muutetaan elektrodin ja kappaleen välissä palavan valokaaren avulla lämpöenergiaksi, joka sulattaa liitettävät aineet ja lisäaineen. Kaarihitsaus on eniten käytetty prosessiryhmä hitsauksessa. Tärkeimmät kaarihitsausprosessit ovat MIG/MAG-, puikko-, täytelanka-, jauhekaari-, TIG- ja plasmahitsaus. Elektrodina toimii joko sulava lisäainelanka tai sulamaton volframipuikko. Lämmöstä aiheutuva hitsisula, jossa voi olla perusaineen lisäksi myös lisäainetta, liittää kappaleet toisiinsa jähmettyessään. (Lukkari 1998, 16.)

19 Kaarienergia Kaarihitsauksessa lasketaan tuotettu lämpöteho (P), hitsausvirran (I) ja kaarijännitteen (U) avulla seuraavasti: P = U x I. Lämpötehon avulla voidaan laskea hitsausenergia eli kaarienergia (E), joka on tärkeä suure hitsauksessa. (Lukkari 1998, 62.) Hitsausenergia E ja siitä aiheutuva lämmöntuonti Q vaikuttavat moniin asioihin hitsauksessa ja hitsiaineessa, mm. sitkeysominaisuuksiin. Korroosionkeston varmistamiseksi austeniittisillä ruostumattomilla teräksillä joudutaan näitä rajoittamaan. Jos hitsausohjeessa on annettu hitsausenergia, sitä on noudatettava. Suurin yksittäinen vaikuttaja on hitsausnopeus. Jos nopeus puolittuu, on energia kaksinkertainen ja mikäli nopeus taas tuplaantuu, puolittuu myös hitsausenergia. (Lukkari, 2003b, 20.) Hitsausenergia E; (kj/mm) voidaan laskea seuraavasti: E = Lämmöntuonti Q on hitsaukseen tuotu lämpömäärä palon pituusyksikköä kohden. Luonnollisesti kaikki hitsausenergia ei muutu lämmöksi vaan osa siitä siirtyy lämpöhäviöinä ympäristöön. Plasmaja TIG-hitsaukselle onkin erikseen määritelty terminen hyötysuhde k, joka on vakio 0,6. Lämmöntuonti Q lasketaan seuraavasti: Plasma- ja TIG-hitsauksessa on kaarihitsausprosesseista matalin terminen hyötysuhde (k), mikä johtuu suuresta lämmönjohtumisesta ja säteilystä ympäristöön. Suurin tekijä on sulamaton volframielektrodi, jonka vuoksi lämpöä ei siirry sulapisaroina hitsiin. (Lukkari 1998, 54.)

20 15 6 TIG-HITSAUS Tungsten Inert Gas welding eli TIG-hitsaus tai Gas Tungsten Arc Welding, GTAW (USA), volframijalokaasuskaarihitsaus, on kaasukaarihitsausprosessi, jossa valokaari palaa sulamattoman volframielektrodin ja työkappaleen välillä inertin suojakaasun ympäröimänä. Perusaineeseen muodostuu hitsisula johon tarvittava lisäaine syötetään toisella kädellä ja toinen käsi kuljettaa hitsainta. TIG-prosessilla voidaan myös hitsata ilman lisäainetta sulattamalla perusainetta. (Kyröläinen & Lukkari 1999, 350.) Tärkeimmät ominaispiirteet TIG-hitsauksessa ovat sulan ja tunkeuman erittäin hyvä hallittavuus sekä metallurgisesti erittäin puhdas hitsiaine. TIG-hitsien laatu on erittäin korkeatasoinen; kuonaa ei muodostu lainkaan, ja roiskeitakin vain hyvin vähän. Hitsausmenetelmänä se soveltuu erinomaisesti ruostumattomien terästen hitsaukseen. Vaikka TIG-hitsauksella saadaankin aikaan erittäin korkealaatuisia hitsejä, se on kuitenkin vain erinomainen työkalu. Lopputulos riippuu hitsarin osaamisesta ja ammattitaidosta. TIG-hitsauksen numerotunnus on standardin SFSEN mukaan 141 sekä kirjaintunnus standardin SFSEN 759 mukaisesti W. (Kyröläinen & Lukkari 1999, 357.) 6.1 TIG-hitsauslaite TIG-hitsauslaitteisto muodostuu virtalähteestä, hitsauspolttimesta ja poltinkaapelista, maattokaapelista ja suojakaasulaitteistosta (kuvio 3). Laitteistoon voidaan asentaa lisäksi jäähdytysveden kiertolaite hitsattaessa suurilla virroilla, A:n virroilla. TIG-ohjausyksikkö voi olla joko virtalähteestä erillään tai kiinteäksi asennettuna virtalähteen yhteyteen. Laitteisto voi olla sijoitettu myös ns. monivirtalähteeseen, jolla voidaan hitsata MIG/MAG-, TIG- ja puikkohitsausprosesseilla. Käsinhitsauksessa lanka syötetään käsin hitsattavaan kohtaan. Mekanisoidussa TIG- hitsauksessa voidaan yhdistää koneellinen langansyöttö kelalta hitsisulaan. Suojakaasuna käytetään yleensä argonia. Tyypillinen hitsausvirta on A. (Lukkari 1998, 258.)

21 16 KUVIO 3. TIG-hitsauslaitteiston periaate 6.2 Virtalähteet TIG-virtalähde voi olla joko yleisemmin käytetty tasavirta (DC) tai vaihtovirta (AC). TIGhitsauslaite voi olla myös varustettu kaksoisvirtalähteellä (AC/DC), josta saadaan molemmat virtalajit. Virtalähde on vakiovirtalähde, jonka ominaiskäyrä on jyrkästi laskeva (kuvio 4). Valokaaren pituus vaihtelee helposti käsin hitsauksessa, ja näin ollen jyrkästi laskeva ominaiskäyrä hitsausvirrassa aiheuttaa vain pieniä muutoksia. (Lukkari 1999; 259.) KUVIO 4. Vakiovirtalähteen jyrkästi laskeva ominaiskäyrä (Mukaillen Repola & Makkonen 1998, 200.)

22 Elektrodi Elektrodi on volframijauheesta sintraamalla valmistettu metallipuikko, joka toimii hitsauksen valokaaren toisena napana. Volframin sulamispiste on 3400 C, joten se on käytännössä sulamaton. Elektrodina toimivalla volframilla on huomattava merkitys hitsausprosessiin yhdessä muiden tekijöiden kanssa. Käyttämällä erilaisia maametallien seoksia, kuten toriumia, zirkoniumia, ja lantaania sekä ceriumoksidia voidaan vaikuttaa elektrodin käyttöominaisuuksiin, joita ovat mm. virrankestävyys, valokaaren syttyvyys, valokaaren vakaus ja kestoikä. Lantaaniseosteiset volframielektrodit soveltuvat sekä tasa- että vaihtovirtahitsaukseen, toriumseosteisia elektrodeja käytetään yleensä tasavirtahitsaukseen, ja zirkoniumseosteinen elektrodi soveltuu vaihtovirtahitsaukseen (taulukko 2). Yleisin volframielektrodi on punainen, 2-prosenttinen toriumseos WT20. (Lukkari 1998, 261.) TAULUKKO 2. Elektrodien merkintäjärjestelmä SFS standardin mukaan (Mukaillen Repola & Makkonen 1998, 211.) väri merkintä seosaineet Vihreä WP seostamaton puhdas volframi Punainen WT20 2 prosenttinen torium Sininen WL20 2 prosenttinen lantaani Harmaa WC20 2 prosenttinen ceriumoksidi Musta WL10 1 prosenttinen lantaani Valkoinen WZ8 0,8 prosenttinen zirkonium Elektrodin halkaisija riippuu hitsausvirran suuruudesta ja virtalajista. Halkaisijan koot vaihtelevat 0,5-6 mm välillä. Normaali pituus 175 mm. Vääränkokoinen ja muotoinen elektrodi aiheuttaa vaurioita elektrodille ja hitsisaumalle. Volframi ei saa myöskään koskea hitsiin koska siitä irtoaa herkästi pieniä partikkeleita, jotka muodostavat ns. volframisulkeumia. TIG-elektrodit on määritelty standardin SFS-EN mukaan, jossa myös annetaan suositeltavat virta-alueet virtalajin ja elektrodin mukaan. (Lukkari 2003b, 19.)

23 Elektrodin kärjen muoto Elektrodin kärjen muodolla on merkittävä vaikutus hitsaukseen. Tasavirtahitsauksessa kärkikulma hiotaan kartiomaiseksi. Kärkikulmalla määritellään tunkeuman suuruus, hitsin leveys sekä valokaaren tarkkuus. Kärkikulma vaihtelee normaalisti asteen välillä (kuvio 5). Kärkikulman kasvaessa valokaari muuttuu kellomaisesta enemmän pallomaiseksi ja keskittyneemmäksi. Voidaankin sanoa että mitä korkeampi on virta, sitä paksumpi elektrodin ja suurempi kärkikulman on oltava. (Lukkari 1998, 261.) Täysin terävää elektrodia käytetään yleensä vain pienillä virroilla hitsattaessa. Käsin hitsattaessa sallitaan pieniä kärkikulmavaihteluita, koska myös hitsausparametrit vaihtelevat. Mekaanisessa hitsauksessa kärkikulma on pidettävä samanlaisena. (Lukkari 2003b, 19.) KUVIO 5. Kärkikulman vaikutus tunkeumaan (Lukkari 2003b, 19.) Elektrodi teroitetaan yleensä hiomalla pituussuuntaan. Pinta ei saa tulla liian karkeaksi, koska pienillä virroilla hitsattaessa pinnan tasaisuus ja naarmuttomuus korostuvat. Hitsattaessa vaihtovirralla hiotaan elektrodin kärki kärjestään tylpäksi noin 45 asteen kartioksi. Vaihtovirtahitsauksessa virran ollessa sopivan suuruinen elektrodin kärjessä näkyy palloutumista, josta voidaan päätellä hitsausvirran sopivuus käytetylle puikkokoolle sekä seokselle. (Lukkari 1998, 262.)

24 Lisäaineet TIG-hitsauslangat ovat suoria määräpituisia lankoja, joiden pituus on yleensä 1000 mm ja halkaisijat 1,6, 2,0, 2,4, ja 3,0 mm. Hitsauslankojen koostumus (taulukko 3) on sama kuin MIG/MAG- hitsauslangoilla. Mekanisoidussa TIG-hitsauksessa voidaan käyttää kelalla olevaa hitsauslankaa, joka on sama kuin MIG/MAG- lanka. (Kyröläinen & Lukkari 1999, 360.) TAULUKKO 3. Erään valmistajan hitsiaineen ohjekoostumusprosentit niukkahiilisten 18 % Cr ja 8 % Ni/Mo- tyyppisten haponkestävien terästen TIG-hitsaukseen C Si Mn Cr Ni Mo 0,02 0,8 1,8 18,5 12,5 2,7 TIG-hitsauksessa ei tapahdu seosaineiden palamishäviöitä, eli käytännössä lisäine on metallurgisesti lähes samaa kuin perusaine. TIG-hitsi saadaan riittävän tiiviiksi, kun lisäainelankaan on seostettu piitä (Si) ja mangaania (Mn) sitomaan happea. Piitä käytetään myös parantamaan juoksevuutta. Sitä käytetään joko normipitoisuutena, 0,4 %, tai korotettuna pitoisuutena, 0,8 %. Korotetun piipitoisuuden ansiosta hitsausominaisuudet ovat erittäin hyvät. Hitsaus ilman lisäaineita voi tuottaa hitsiaineen, joka on korroosionkestoltaan huono ja hauras. Tästä syystä hitsausta ilman lisäainetta ei suositella ilman hitsauksen jälkeen tehtävää lämpökäsittelyä. (Kyröläinen & Lukkari 1999, 220, 360.) 6.6 Lisäaineen valinta Hitsauslisäaineen valinnassa on tavoitteena löytää hitsin laatuvaatimukset täyttävä, taloudellisesti edullisin lisäaine. Vaatimuksena on, että saadaan aikaan hitsi, jonka lujuus ja koroosionkesto vastaavat perusainetta ja minimoivat jähmettymisestä aiheutuvaa halkeilua. Hitsauslankojen valinnassa tulee noudattaa hitsausaineiden valmistajien ohjeita. Lisäaineet eivät saa likaantua, ja ne on varastoitava valmistajan ohjeiden mukaan. (Euro Inox. 2002, 99.) Lisäaineen valintaan vaikuttavat tekijät:

25 20 Perusaineen koostumus Lisäaineen mekaaniset ominaisuudet, myötöraja ja iskusitkeys Käyttöolosuhteet Lisäainelangan paksuus. (Repola & Makkonen 1998, 221.) TIG-langat ovat samassa standardissa kuin MIG/MAG- lisäinelangat, pren Kirjaintunnus on W (Wolfram). Kaikkien hitsauslisäaineiden tulee täyttää standardin ENV 1090 vaatimukset. Lisäainelankoja otetaan käyttöön vain tarvittava määrä kerrallaan, ja ne on säilytettävä kuivassa huonetilassa valmistajan pakkauksissa ja niiden käsittelyssä on noudatettava erityistä puhtautta. (Euro Inox. 2002, 99.)

26 21 7 PLASMAHITSAUS Plasmahitsaus, PAW, (Plasma Arc Welding) on kaasukaarihitsausprosessi, jossa kuroutettu valokaari palaa plasmakaasun ja suojakaasun ympäröimänä volframielektrodin ja työkappaleen välillä. Plasmahitsaus muistuttaakin teknisesti paljon TIG-hitsausta ja yleisesti ottaen plasmalla hitsataankin samoja kohteita. Plasmahitsauksen numerotunnus on standardin SFSEN mukaan 15, sekä kirjaintunnus standardin FSFEN 759 mukaisesti P. (Lukkari 1998, 272.) 7.1 TIG- ja plasmahitsauksen erot TIG-hitsaukseen verrattuna plasmahitsaus on nopeampi ja kuluttaa suhteessa vähemmän energiaa, myös lämmöntuonti on huomattavasti pienempi palon pituusyksikköä kohti. Oleellisin ero plasma- ja TIGhitsauksen välillä on valokaaren kurouttaminen. Valokaari pakotetaan kulkemaan plasmakaasuvirtauksen mukana jäähdytetyn kuparisuuttimen läpi, jolloin kaaren muoto muuttuu TIGin kartiokkaasta kaarenmuodosta plasman lähes sylinterimäiseksi patsaaksi, ja näin energiatiheys on plasmahitsauksessa huomattavasti suurempi (kuvio 6). (Lukkari 1998, 273.) KUVIO 6. Valokaarien erot TIG- ja plasmahitsauksessa (Mukaillen Lukkari 1998, 273.)

27 Plasma Plasmahitsauksessa hitsausvirta ja plasmakaasu muodostavat yhdessä aineen neljännen olomuodon eli plasman. Plasma on sähköä johtavaa erittäin kuumaa kaasua. Se on aineen olomuoto, jossa atomit ovat menettäneet elektroneja eli ionisoituneet. Aineen plasmatila saadaan nostamalla energiaa ja lämpötilaa. Kun aineen ionisaatioenergia on saavutettu, niin aine muuttuu plasmaksi. Ionisoitunut aine vapauttaa elektroneja, jolloin plasma on erinomainen sähkönjohde. Plasman syntymiseen tarvittava korkea lämpötila, º C, saadaan aikaan valokaaren avulla. Plasmakaari aikaansaadaan siten, että valokaari pakotetaan kulkemaan plasmakaarivirtauksen mukana ahtaan kuparisuuttimen läpi suurella nopeudella, jolloin valokaari kuroutuu kartiomaisesta sylinterimäiseen muotoon ja sen lämpö siirtyy tehokkaasti virtaavaan kaasuun (kuvio 6). Näin kaarelle saadaan huomattavasti suurempi energiatiheys kuin TIG-hitsauksessa. Plasmahitsaus onkin ainoa kaasukaarihitsausprosessi, jonka energiatiheys on riittävä lävistävän eli keyhole hitsauksen aikaansaamiseksi (kuvio 7). (Lukkari 1998, 272.) KUVIO 7. Lävistävä eli ns. keyhole-hitsaus (Mukaillen Lukkari 1998, 276.) 7.3 Plasmakaari Plasmahitsauskaari on koko ajan samanlainen, ja se tuottaakin erittäin tasalaatuista hitsiä. Myös hitsaussauma on tiiviimpi, vääristymättömämpi sekä jännitteettömämpi, siinä on myös vähäisempi railonvalmistustarve ja vetely. Plasmahitsaus onkin yleensä mekanisoitua hitsausta, jolloin sen edut ovat parhaiten hyödynnettävissä, mutta sitä voidaan tehdä myös käsinhitsauksena. Plasman pääkaari sytytetään esivalokaaren eli ns. pilottikaaren avulla. Pilottikaari saa aikaan aina samanlaisen

28 23 käynnistyksen jonka avulla kaari siirtyy tasalaatuisesti työhön ilman tarvetta käyttää suurtaajuusvirtaa jatkuvasti. Esivalokaari vähentää myös hylkytavaraa, sillä valokaari käynnistyy aina samalla tavalla. (Lukkari 1998, 274.) 7.4 Plasmahitsauslaitteisto ja virtalähde Plasmahitsauslaitteisto, joka on pitkälti samantyyppinen kuin TIG-hitsauksessa, koostuu virtalähteestä, hitsauspolttimesta, ohjausyksiköstä, sytytyslaitteesta, jäähdytyslaitteesta, langansyöttölaitteesta ja kaasunvirtauslaitteista (kuvio 3). Virtalähde on samanlainen kuin TIGhitsausvirtalähde ja ominaiskäyrä on jyrkästi laskeva jolloin kaaren pituuden vaihtelut eivät vaikuta juurikaan hitsausvirtaan (kuvio 4). Plasmahitsauksessa käytetään enimmäkseen jatkuvaa tasavirtaa, mutta pulssivirran hyödyntäminen on yleistymässä. Hitsattaessa elektrodi on aina negatiivisena ja työkappale positiivisena napana. Hitsausvirta-alue on laaja mikroplasman 0,1-15 A:n virrasta aina lävistävän plasmahitsauksen 500 A:n virtoihin. (Lukkari 1998, 277.) Plasmapoltin Plasmapoltin on tärkeä laite plasmahitsauksessa. Poltin on yhdistetty elektrodinpidin ja kaasusuutin plasmakaaren tai plasmasuihkun muodostamiseksi. Polttimen pääosat ovat elektrodi, plasmasuutin, kaasusuutin ja kädensija. Plasmasuuttimen tehtävänä on kuroa kaariplasma, joka aikaansaa sen, että plasman energiatiheys ja lämpötila kohoavat huomattavasti korkeammiksi kuin vapaasti palavassa valokaaressa. Kuroutuminen voi tapahtua joko pneumaattisesti tai mekaanisesti. Mekaanisesti kurouttavassa suuttimessa plasmakaari pakotetaan kulkemaan ahtaan reiän läpi, jolloin tapahtuu kuroutuminen. (Lukkari 1998, 278.) Elektrodi ja lisäaineet Plasmahitsauksessa käytetään samanlaisia elektrodeja kuin TIG-hitsauksessa. Yleisimmin käytetään toriumseosteisia volframeja, koska torium parantaa kulumiskestoa ja emissiokykyä. Elektrodin

29 24 halkaisija valitaan hitsausvirran mukaan. Kärkikulma riippuu polttimesta ja hitsausvirrasta ja kulma on yleensä astetta (kuvio 5). Plasmahitsauksessa käytettävän elektrodin elinikä on pitkä, joten se sopii hyvin robotin hoitamaan mekanisoituun hitsaukseen. (Lukkari 1998, 278.) Plasmahitsausta voidaan tehdä ilman lisäainetta tai lisäaineen kanssa. Jos lisäaineita käytetään, niin ainemäärät ovat pieniä. Lisäaineen tarve määräytyy railosovituksen tarkkuuden mukaan. Plasmahitsauksessa lisäaine tuodaan hitsisulaan yleensä lankana. Lisäaineen syöttämiseen tarvitaan erillinen langansyöttölaite, ja lisäaineena on ohut kelalla oleva MIG/MAG-hitsauslanka. Käsinhitsauksessa langat ovat samoja kuin TIG-hitsauksessa. (Lukkari 1998, 279.) 7.5 Plasmakaasu ja suojakaasut Kaasun valinnassa tulee aina huomioida hitsattava perusaine sekä hitsaustapa. Sulattavassa ja lävistävässä hitsauksessa hyödynnetään erilaisten kaasujen ominaisuuksia eri tavoin. Kaasuvalinnoilla on merkitystä mm. hitsausnopeuteen ja sulan käyttäytymiseen. Plasmahitsauksessa käytetään suojakaasun lisäksi plasmakaasua. Sisäsuuttimessa virtaa plasmakaasu sisäänvedetyn, keskitetyn volframielektrodin ympärillä. Plasmakaasu on yleensä argon tai argon-vetyseos. Argon-vetyseos sopii hyvin austeniittisten ruostumattomien terästen hitsaukseen, sillä on hyvä tunkeuma ja se saa aikaan herkkäliikkeisen hitsisulan, helpottaa lävistysreiän tekoa ja muodostaa oksidittoman hitsin. Lävistävässä plasmahitsauksessa plasmakaasun virtausmäärä on tärkeä parametri, ja se on pyrittävä pitämään vakiona, jotta myös lävistysreikä pysyisi stabiilina. (Lukkari 1998, 279.) Ulommassa suuttimessa virtaa suojakaasu, jonka tehtävä on sama kuin TIG-hitsausmenetelmässä. Suojakaasu syötetään ulommasta suuttimesta niin, että se ympäröi plasmakaasusuihkun estäen ilman pääsyn kaaritilaan. Suojakaasuksi yleensä valitaan sama kaasu, tavallisimmin argon. Suojakaasun tärkein tehtävä on suojata hitsisulaa, mutta koska sitä väkisinkin sekoittuu plasmakaasuun, se vaikuttaa myös plasmakaaren ominaisuuksiin. Kaasusuojauksella voi olla kaaren keskittämistä tehostava vaikutus. (Lukkari 1998, 279.) Juurensuojakaasulla suojataan sulaa metallia ja lämmönvaikutusaluetta juuren puolella. Apuna käytetään kaasukenkää tms. apuvälineitä. Juurensuojakaasuna käytetään tavallisesti argonia, argon-

30 25 vetyseoksia sekä ns. formierkaasua eli samoja kuin TIG-hitsauksessa. Plasmahitsauksessa käytettävät kaasut esitetään eurooppalaisessa standardissa SFS-EN 439, taulukko 56. (Lukkari 1998, 280.) 7.6 Plasmahitsauksen toimintaperiaatteet Plasmahitsaus voidaan ryhmitellä toimintaperiaatteeltaan kahteen sovellutusmuotoon: plasmahitsaus sulattavalla valokaarella, joka on samankaltainen kuin TIG-menetelmä. plasmahitsaus lävistävällä valokaarella, jossa valokaari muodostaa railoon reiän. (Lukkari 1998, 274.) Plasmahitsaus voidaan myös ryhmitellä karkeasti hitsausvirran perusteella kolmeen sovellutusmuotoon: mikroplasmahitsaus (noin 0,01-0,5 mm): 0,1-15 A väliplasmahitsaus (noin 0,5-3,0 mm): A lävistävä plasmahitsaus (noin 3-12 mm): A. (Lukkari 1998, 274.) Plasmahitsaus on ainoa kaarihitsausprosessi, jossa lävistävä valokaari on mahdollinen. Tällä on mahdollista hitsata yhdellä palolla I-railoon aina noin 12 mm:n levynpaksuuteen saakka. Kun hitsataan paksumpia materiaaleja, plasmahitsauksessa muodostuu ns. avaimenreikä plasmakaaren suuremman energiatiheyden vuoksi. Avaimenreiän ansiosta saadaan syvä tunkeuma ja suurempi hitsausnopeus, ja näin muodonmuutoksia syntyy vähemmän kuin TIG-hitsattuihin kappaleisiin. Plasmahitsauksessa ohuet kappaleet hitsataan sulattavalla ja paksummat lävistävällä menetelmällä ja ainepaksuuden raja on kolme millimetriä. (Lukkari 1998, 275.) 7.7 Käyttö Plasmahitsaus soveltuu hyvin eri metallien sulattavaan ja lävistävään hitsaukseen, ja sitä käytetäänkin eniten juuri ruostumattoman teräksen hitsauksessa. Hitsattavuus vaihtelee eri terästyyppien mukaan. Austeniittisille teräksille plasmahitsaus soveltuu erittäin hyvin. Ruostumattomien putkien valmistuksessa käytetään TIG-hitsauksen ohella myös plasmahitsausta. Plasmahitsausta voidaan käyttää myös säiliöiden hitsaukseen sekä jalko- että vaaka-asennossa.

31 26 Sulattava hitsaus voidaan suorittaa käsinhitsauksena mutta lävistävä hitsaus on aina mekanisoitua. Lävistävässä hitsauksessa ainepaksuus vaihtelee 3-12 mm, railomuoto on I-railo ja hitsausvirta on A. (Lukkari 1998, 275, 276.) Plasmahitsauksen etuina ovat mahdollisuus yhdeltä puolen hitsaukseen ilman juuren avausta, suurempi hitsausnopeus sekä hitsin hyvä laatu. Plasmahitsissä onkin harvoin sisäisiä virheitä. Voidaan sanoa, että jos hitsi on virheetön ulkoisesti, on se sitä myös sisäisesti. Plasmahitsauksen etuna on myös pienempi hitsausenergia ja siten myös pienemmät muodonmuutokset kuin TIGhitsauksessa. Plasmahitsauksessa railon toleranssivaatimukset ovat kuitenkin suurempia kuin TIGhitsausprosessissa, ja sitä kautta myös hitsausparametrien vaikutuksilla on suurempi merkitys hitsin laatuun kuin TIG-hitsauksessa. Tärkeimpiä hitsausparametrejä ovatkin hitsausvirta, plasmakaasun virtausmäärä ja hitsausnopeus. (Lukkari 1998, 276.)

32 27 8 TYÖTURVALLISUUS Hitsattaessa tulee kiinnittää huomiota työsuojelunäkökohtiin, kuten suojavarusteisiin, ergonomiaan ja meluun sekä hitsauskaasujen ja huurujen haitallisuuteen ja niiden tehokkaaseen poistoon. Hitsattaessa ruostumattomia ja haponkestäviä teräksiä erilaisille kromi- ja nikkeliyhdisteille altistuminen saattaa olla mahdollista. Hitsauslaitteiden ja henkilönsuojainten ym. pitää olla ENstandardien mukaisia ja CE-merkittyjä. Hitsauksen työturvallisuutta koskevat määräykset on määritelty seuraavissa standardeisssa: Kaarihitsauslaitteet: SFS-EN Hengityksensuojaimet: SFS-EN 270, 1835, ja Kuulonsuojaimet: SFS-EN Hitsaajan suojalasit: SFS-EN 169 ja 379 Hitsaajan suojavaatetus: SFS-EN Hitsaajan suojakäsineet: SFS-EN Turva- ja suojajalkineet: SFS-EN ISO ja Teollisuuskypärät: SFS-EN 397 ja (Lukkari 2006, 13.)

33 28 9 SUOJAKAASUT Ilma sisältää n. 21 % happea ja 78 % typpeä. Ne liukenevat herkästi sulaan metalliin aiheuttaen huokosia ja huonontaen perusaineen ominaisuuksia, kuten esimerkiksi iskusitkeyttä. Suojakaasun tehtävä on siis suojata hitsausprosessia ilman heikentäviltä vaikutuksilta sekä parantaa hitsattavuusominaisuuksia. (Lukkari 2003b, 5.) 9.1 Suojakaasun tehtävät TIG-hitsauksessa tarvitaan kolmenlaista kaasusuojausta: primääristä, sekundääristä ja juurensuojausta. Hitsattaessa ilmakehän hapen ja typen vaikutuksille herkkiä metalleja tarvitaan kaikkia em. suojaustapoja. Primäärisuojan tehtävää hoitaa kaasusuutin. Sen tarkoituksena on suojata hitsisulaa ja sitä välittömästi ympäröivää aluetta. Hitsauksen alkaessa annetaan kaasusuuttimesta virrata hitsattavalle alueelle ns. etukaasua parin sekunnin ajan. Sekundäärisuojan tehtävä on suojata valmista hitsiä, kunnes se on jäähtynyt sopivaan lämpötilaan, jossa metalli ei enää reagoi ilman hapen ja typen kanssa. Lopetettaessa hitsaus kaasun virtausta jatketaan hitsisaumaan yleensä noin 5-15 sekunnin ajan, ainepaksuuden ja lämmöntuonnin mukaan. Juurensuojauksen tarkoitus on suojata hitsauksen juurenpuoli hapettumiselta, koska se heikentää hitsin korroosionkestoa ja pinnanlaatua. Tässä käytetään ns. kaasukenkää. (Repola & Makkonen 1998, 225.) 9.2 Kaasujen ominaisuudet Eri kaasuilla on erilaisia perusominaisuuksia, joita voidaan käyttää hyväksi hitsausprosessissa. Matala ionisoitumispotentiaali parantaa syttymistä, inertit tai pelkistävät kaasut estävät elektrodin hapettumista, ja kaasun tiheydellä ja kineettisellä energialla on merkitystä etenkin lävistävässä plasmahitsauksessa (taulukko 4). Perussuojakaasut lajitellaan suojakaasustandardin mukaan seuraavasti: inertit kaasut: argon ja helium

34 29 hapettavat kaasut: hiilidioksidi ja happi pelkistävä kaasu: vety reagoimaton kaasu: typpi. (Lukkari 1998; 279.) TAULUKKO 4. Suojakaasujen fysikaalisia ominaisuuksia (Lukkari 2003b, 17.) Kaasu Tiheys Ionisaatioenergia Lämmönjohtavuus Vety, H 2 : 0,07 13,6 ev n x Typpi, N 2 : 0,97 14,5 ev Argon, Ar: 1,38 15,8 ev 1 x Helium, He: 0,138 24,6 ev n. 1,5-5 x Suojakaasujen lämmönjohtavuudella on vaikutusta lämpötehoon, koska kuumemmalla kaasulla kaariteho (U x I) on korkeampi ja näin myös tunkeuma on suurempi. Korkea ionisaatioenergia taas vaikuttaa heikentävästi kaaren syttymiseen. Kaasun tiheydellä on merkitystä hitsattaessa lävistävällä menetelmällä plasmahitsauksessa. (Lukkari 2003b, 17; Lukkari 1998, 264.) 9.3 Kaasuseokset Peruskaasu plasma- ja TIG-hitsauksessa on argon. Se on ilmaa raskaampaa ja sen suojausteho on hyvä, valokaari on vakaa, ja se syttyy helposti. Argon täyttää hyvin myös keskeiset palsmakaasulle asetetut vaatimukset, ja sen suuri tiheys antaa hyvät lävistysominaisuudet lävistävässä plasmahitsauksessa. (Lukkari 2003b, 17.) Kaasujen fysikaalisia ominaisuuksia käytetään hyväksi hitsauksessa erilaisina kaasuseoksina (taulukko 5). TIG-hitsauksessa käytetäänkin helium- ja vetylisäyksiä argonissa, jolloin tunkeuma kasvaa ja/tai päästään suurempiin hitsausnopeuksiin. Heliumin käyttö parantaa hitsisulan juoksevuutta ja tunkeumaa, koska sillä on argonia suurempi kaarijännite ja lämmöntuonti. Miinuspuolena argoniin nähden sillä on heikommat hitsaustekniset ominaisuudet suojausvaikutuksen, valokaaren vakauden ja syttymisen osalta. Heliumiaseosta käytetään kuitenkin lähinnä alumiinia hitsattaessa. (Lukkari 1998, 264.)

35 30 Käytettäessä vetyä saadaan aikaan suurempi tunkeuma, koska vedyllä on korkea kaarijännite prosentin vetyseostus lähes kaksinkertaistaa tunkeuman puhtaaseen argoniin nähden. Lisäksi vety antaa suuremman hitsausnopeuden, vähentää pintakuonaa sekä sillä saadaan aikaan keskitetympi kaari ja siten myös suurempi lämpötiheys. Haittapuolina mainittakoon, että suuret vetypitoisuudet aiheuttavat huokosia hitsiin, nopeuttaen elektrodin kulumista ja saattaa aiheuttaa vetyhaurastumisvaaraa. (Lukkari 1998, 279.) Täysin austeniittisten ja duplex-terästen suojakaasun lisäaineena käytetään pieniä typpipitoisuuksia argonin joukossa. Typpi suosii austeniitin muodostumista liukenemalla hitsisulaan ja vaikuttaen ferriitti/austeniitti-tasapainoon hitsiaineessa. Typpipitoisuus lisää kuitenkin elektrodin kulumista. Plasma- ja TIG-hitsauksessa käytettävät suojakaasut luokitellaan SFS-EN 439 standardissa. (Lukkari 2003b, 17.) TAULUKKO 5. Esimerkki suojakaasun vaikutuksesta kaarijännitteeseen päällehitsattaessa ruostumattomaan teräkseen EN , 130 A:n hitsausvirralla kun levynpaksuus on 5 mm ja kaarenpituus 4 mm. (Lukkari 2003b, 17.)

36 31 10 JUUREN SUOJAUS Ruostumattomien terästen hitsauksessa on ehdoton vaatimus juuren kunnollinen suojaaminen, jotta korroosionkesto säilyisi hyvänä. Ennen hitsauksen aloittamista juuren puoli on huuhdeltava suojakaasulla happipitoisuuden laskemiseksi mahdollisimman pieneksi eli on tehtävä ns. juuren kaasutus. Puutteellinen juurikaasutus voidaan hitsauksen päätyttyä havaita mm. silmämääräisesti vertaamalla päästövärejä vertailukuvastoihin. (Lukkari 2003b, 10.) 10.1 Juuren suojakaasut Juurikaasuksi soveltuu inertti kaasu, kuten argon, joka on tavallisin juurikaasu. Muita juurikaasuina käytettäviä ovat typpi, typpi-vetyseos tai argon-vetyseos. Typen ja vedyn kaasuseosta, ns. formierkaasua (90 % N % H 2 ), käytetään juurikaasuna austeniittisten terästen hitsauksessa. Vedyllä on hyvä suojausvaikutus, koska se on ns. pelkistävä kaasu, jonka vaikutuksesta se sallii hiukan suuremman happipitoisuuden juuren puolella kuin argon. Se jättää myös hiukan kirkkaamman juurenpuolen pinnan. Typpi-vetykaasuseos on palava seos, joka on huomioitava käytössä. Suojakaasut ja juurikaasut on standardisoitu eurooppalaisessa standardissa SFS-EN 439: Suojakaasut kaarihitsaukselle ja kaarileikkaukselle. (Lukkari 1998, 265.) 10.2 Juurikaasun virtaus Tuotaessa juurikaasu suojattuun tilaan on otettava huomioon sen tiheys suhteessa ilmaan. Formierkaasut eli typpivetyseokset, ovat ilmaa kevyempiä, ja argonseokset ovat ilmaa raskaampia. Kevyempiä kaasuja käytettäessä tuodaan ne suljettuun tilaan toisen sulkulaipan yläosan kautta ja vastapuoliseen sulkulaippaan tehdään alaosaan ilmanvaihtoreikä (kuvio 8). (Lukkari 1998, 267.)

37 32 KUVIO 8. Juurikaasun tuontitapa riippuu kaasun ominaispainosta (Mukaillen Kyröläinen & Lukkari 1999, 418.) 10.3 Huuhteluaika Toimivan juurensuojauksen vaatimus on, että ilma poistetaan sulkulaippojen välistä ennen hitsauksen aloittamista huuhtelemalla hitsattavaa tilaa riittävästi juurikaasulla, jolla saadaan ilma syrjäytymään sulkujen välisestä tilasta. Tämä voi perustua joko laimentamiseen tai syrjäyttämiseen. Käytännössä ilman poistuminen tapahtuu molemmilla tavoilla. Teoriassa ilman syrjäyttämiseen riittää vain yksi kerta mutta vain siinä tapauksessa, jos olosuhteet ovat optimaaliset. Laimenemisperiaatetta käyttäen ohjearvona tilavuuden vaihtokerroille voidaan käyttää kymmentä kertaa. Käytännössä kuitenkin ilman poistuminen tapahtuu molemmilla tavoilla, joten vaihtokertojen määrä on yleensä 5-10 kertaa. (Lukkari ; Lukkari 2003a, 8.) Huuhteluajan pituus riippuu tilavuudesta, juurikaasun virtausmäärästä ja tilavuuden vaihtokertojen lukumäärästä. Tilavuuden vaihtokertojen lukumäärä ilmoittaa, kuinka monta kertaa suojattavan tilan ilman ja suojakaasun seos vaihdetaan, ennen kuin hitsauksen voi aloittaa. Huuhteluaika saadaan laskettua kahdella tavalla, kertomalla vaihtokertojen määrä tilavuudella ja jakamalla se kaasunvirtauksella (l/min) tai jakamalla ilman happipitoisuusprosentti vakiolla (2,718) korotettuna tilavuuden vaihtokertojen n, kappalemäärällä. (Lukkari 2003a, 9.)