B.6 Yleiskatsaus hitsausprosesseihin 1 B.6.1 Valokaari lämmönlähteenä Valokaari Valokaaren avulla pystytään vaivattomasti kehittämään riittävän korkeita lämpötiloja ja suuria lämpömääriä kaikkien metallisten materiaalien hitsaukseen. Valokaari on kaasussa tapahtuva sähkönpurkaus. Se saadaan aikaan kahden navan, lisäainelangan tai elektrodin ja työkappaleen, välille jännitteisessä virtapiirissä, kun niiden väli eli kaariväli tehdään sopivalla tavalla sähköä johtavaksi. Valokaaren pituus on menetelmän ja hitsausarvojen mukaan 2-10 mm. Valokaaren kuumin kohta on sen ydinosa, jonka lämpötila hitsausprosessien mukaan on 5000-30000 o C. Valokaaren laidoilla lämpötila on kuitenkin huomattavasti matalampi. Sulan metallipisaran lämpötila valokaaressa on noin 2000-2500 o C ja hitsisulan lämpötila hitsissä noin 2000 o C. Valokaari synnyttää korkean kuumuutensa lisäksi myös voimakasta hitsaussäteilyä ja runsaasti hitsaussavuja. Hitsausvirtapiiri Hitsausvirtapiirin muodostavat virtalähde, hitsauskaapeli, elektrodi tai hitsauslisäaine, valokaari, työkappale ja maadoituskaapeli. Hitsausvirtalähde on laite, joka muuttaa sähköverkosta otetun sähkövirran hitsaukseen sopivaksi sekä syöttää sähköä hitsausvirtapiiriin ja hitsausvalokaareen. Hitsausvirtalähde liitetään sähköverkon pistorasiaan liitäntäkaapelin eli verkkokaapelin päässä olevalla pistotulpalla, minkä hitsaaja voi tehdä itse. Jos virtalähde toimitetaan ilman pistotulppaa, vain ammattitaitoinen sähköasentaja saa asentaa sen liitäntäkaapelin päähän. Jos asennus tehdään väärin, siitä voi seurata sähkötapaturman vaara, koska liitäntäjännite on hengenvaarallisen korkea. Myös liitäntäkaapelin jatkamisen ja korjaamisen saa tehdä vain sähköasentaja.
2 Verkkoliitännän tiedot, mm. liitäntäkaapelin koko ja sulakekoko sekä tyyppi (hidas sulake), on mainittu hitsauskoneen käyttöohjeessa tai ohjekirjassa. Liitäntäkaapelin koon on oltava oikeassa suhteessa virtalähteen ottamaan ensiövirtaan ja -jännitteeseen. Sulake valitaan suurimman sallitun ensiövirran mukaan. Virtalähteitä on rakenteeltaan ja periaatteiltaan erilaisia. Muuntaja on vanhin käytössä olevista virtalähteistä. Se antaa vaihtovirtaa, jota käytetään lähinnä puikkohitsauksessa mm. korjaus- ja asennustöissä. Hitsaustasasuuntaaja ja -invertteri ovat tämän päivän virtalähteitä, jotka ovat korvanneet muuntajat lähes kokonaan. Ne tuottavat tasavirtaa hitsausta varten. Virta alkaa kulkea virtakaapeleissa, kun virtapiiri sulkeutuu. Kaarihitsaukselle on ominaista suuri virta ja pieni jännite. Virtakaapeleita ovat hitsauskaapeli ja maadoituskaapeli. Virtakaapeli on kumikaapeli, jonka sisällä on ohuista kuparijohtimista rakennettu kaapeli. Kaapelin koolla tarkoitetaan sen virtaa johtavaa pinta-alaa eli kuparikaapelin poikkipinta-alaa. Kaapelin kuormitettavuus ilmoitetaan yleensä enimmäisvirtana, jolla sitä voidaan kuormittaa eri käyttösuhteilla oheisen taulukon mukaisesti. Käyttösuhteella tarkoitetaan valokaaren paloajan eli kaariajan suhdetta kokonaisaikaan. Hitsauskaapelin kuormitettavuus eri käyttösuhteilla Kaapelin Enimmäisvirta eri käyttösuhteilla poikkipinta-ala mm 2 100% 85% 60% 35% 16 135 145 175 230 25 180 195 230 300 35 225 245 290 375 50 285 305 365 480 70 355 385 460 600 95 430 470 560 730 120 500 540 650 850 Häviöt ovat sitä suurempia, mitä pitempiä kaapelit ovat, mitä pienempi niiden poikkipinta-ala on ja mitä suurempi hitsausvirta on. Kaapelien aiheuttama häviö ilmenee niiden lämpenemisenä. Ylikuumeneminen voi sytyttää tulipalon.
3 B.6.2 Kaarihitsauslaitteiden periaatteet Ks. kohta A.2 B.6.3 Puikkohitsauksen kertaus Puikkohitsaus (111) on käsin tehtävää metallikaarihitsausta, jossa hitsausaineena on hitsauspuikko. Valokaari palaa puikon pään ja työkappaleen välillä. Puikon sydänlanka sulaa ja sula metalli siirtyy päällysteestä muodostuvan kuonakalvon ympäröiminä pisaroina valokaaren läpi hitsisulaan. Puikon päällysteestä syntyvät kaasut ja kuona suojaavat hitsaustapahtumaa. Kuona jähmettyy lopuksi hitsin päälle ja se poistetaan jälkeenpäin. Puikkohitsauslaitteisto koostuu hitsausvirtalähteestä, puikonpitimestä ja virtakaapeleista. Hitsaus tapahtuu puikonpitimellä, johon hitsauspuikko kiinnitetään. Yhden puikon kaariaika on puikon halkaisijan (1,6-6,0 mm) ja pituuden ( 300-450 mm) mukaan noin 0,5-3 minuuttia. Puikon päällyste vaikuttaa huomattavasti puikon hitsaus-ominaisuuksiin sekä syntyvän hitsin kemialliseen koostumukseen ja ominaisuuksiin. Päällysteessä on 10-15 erilaista raakaainetta. Koostumuksen perusteella päällysteiden kolme päätyyppiä ovat emäs-, rutiili- ja hapanpäällyste. Emäspuikkojen päällysteessä on suuri määrä kalsiumkarbonaattia eli kalkkia ja kalsiumfluoridia sekä yleensä myös rautajauhetta. Lisäksi siinä on pieniä määriä rutiilia, rautaseoksia ja kvartsia. Ylivoimaisesti suurin osa Suomessa käytetyistä puikoista on emäspäällysteisiä. Loput ovat rutiili- ja emäspäällysteisiä. Rutiilipuikon pääraaka-aine on rutiili eli titaanioksidi. Muita aineksia ovat mm. kvartsi, karbonaatit ja rautaseokset. Hitsausvirta on yleensä tasavirtaa ja puikko kytketään +napaan, mutta puikkohitsauksessa käytetään joskus myös vaihtovirtaa. Tyypillinen hitsausvirran voimakkuus on 50-350 A. Puikkohitsauksessa huuruja muodostuu paljon, koska lisäaine on mineraalisilla aineilla päällystetty puikko. Kaasuja syntyy melko vähän.
4 B.6.4 MIG/MAG-hitsauksen kertaus MIG- ja MAG-hitsaus (131, 135 ja 136) ovat kaasukaarihitsausta, jossa valokaari palaa suojakaasun ympäröimänä hitsauslangan ja työkappaleen välillä. Metalli siirtyy valokaaren läpi pieninä sulapisaroina langan kärjestä hitsisulaan. Langansyöttölaite syöttää ohutta hitsauslankaa (0,8-1,2 mm) hitsauspistoolin kautta valokaareen. Siihen tulevat hitsauskoneesta monitoimijohdon kautta omissa johtimissaan, kaapeleissaan ja letkuissaan hitsauslanka, hitsausvirta, suojakaasu, ohjausvirta ja mahdollinen jäähdytysvesi. Suojakaasu voi olla aktiivinen tai inertti kaasu hitsattavan perusaineen mukaan. Aktiivisia kaasuja ovat mm. argonin ja hiilidioksidin sekä argonin ja hapen seoskaasut tai hiilidioksidi. Kun suojakaasu on aktiivinen, prosessista käytetään nimitystä MAG-hitsaus (Metal-arc Active Gas). Inerttejä suojakaasuja ovat argon ja helium tai näiden seoskaasut, jolloin nimitys on MIG-hitsaus (Metal-arc Inert Gas). Terästen hitsaus on MAG-hitsausta ja rautaa sisältämättömien metallien (esimerkiksi alumiinin) MIGhitsausta. MIG- ja MAG-hitsaus ovat hyvin monipuolisia ja nopeita hitsausprosesseja. Siksi ne ovat korvanneet puikkohitsauksen monella teollisuuden alalla lähes kokonaan. Niitä käytetään paljon myös korjaustöissä. Hitsausvirta on aina tasavirtaa ja lanka kytketään +napaan. Tyypillinen virta-alue on 50-350 A. MIG- ja MAG-hitsauksessa muodostuu huuruja vähän verrattuna puikko- ja täytelankahitsaukseen, koska lisäaine on paljas umpinainen metallilanka. Otsonia voi syntyä merkittäviä määriä erityisesti alumiinia ja ruostumatonta terästä hitsattaessa. Täytelankahitsaus Täytelankahitsaus muistuttaa suuresti MIG- ja MAG-hitsausta. Yleensä täytelankahitsausta suoritetaan samoilla hitsauskoneilla, ja hitsauksen suoritustapa on myös samankaltainen. Tärkein ero on siinä, että täytelankahitsauksessa lisäaine on umpinaisen langan sijasta putkimainen lanka, jonka sisällä on jauhe- tai metallitäytettä. Lähes kaikki täytelangat hitsataan suojakaasua käyttäen, mistä tulee usein käytetty nimitys MAG-täytelankahitsaus. Hitsausaineet ovat hitsauslisäaine eli täytelanka ja suojakaasu. Täytelanka on ohut putkimainen lanka (1,0-1,6 mm), jonka teräskuoren sisällä on jauhemainen täyte. Täytteellä on samantapainen tehtävä
5 kuin hitsauspuikon päällysteellä, mm. kuonan ja kaasujen muodostaminen sekä seosaineiden tuominen hitsiaineeseen. Sitä kutsutaan joskus sattuvasti "nurinpäin käännetyksi puikoksi". Täytteissä on osin samoja mineraalisia ja metallisia aineksia kuin puikon päällysteessä. Täytelankahitsauksessa käytetään samoja suojakaasuja kuin hitsattaessa umpilangalla eli argonin ja hiilidioksidin seoskaasuja. Hitsausvirta on aina tasavirtaa ja lanka kytketään langan täytetyypin mukaan +napaan tai -napaan. Tyypillinen virta-alue on 100-400 A. Täytelankahitsauksessa syntyy paljon huuruja, koska langassa on mineraalinen täyte. Itsesuojaavilla täytelangoilla hitsattaessa muodostuu vielä enemmän huuruja (ks. kohta B.6.5), ja eräät lankalaadut synnyttävät lisäksi haitallista bariumia. B.6.5 Suojakaasuttoman täytelankahitsauksen periaatteet Täytelankahitsausta tehdään myös ilman suojakaasua. Tätä versiota kutsutaan usein nimillä suojakaasuton (kaasuton) täytelankahitsaus tai täytelankahitsaus (hitsaus) itsesuojaavalla täytelangalla (114). Siinä täytelangan täyte kehittää itse riittävän suojan hitsaustapahtumalle eikä ulkoista suojakaasua tarvita. Menetelmää käytetään lähinnä korjaustoiminnassa ja usein hitsattaessa ulkona. Teollisuudessa sen käyttö on vähäistä. B.6.6 TIG-hitsauksen kertaus TIG-hitsaus (141) on kaasukaarihitsausta, jossa valokaari palaa sulamattoman volframielektrodin ja työkappaleen välillä suojakaasun ympäröimänä. Hitsaustapahtuman suojaa inertti suojakaasu, yleensä argon. Käsin hitsattaessa hitsainta kuljetetaan toisella kädellä ja toisella kädellä tuodaan lisäainetta erikseen hitsisulaan, johon se sulaa. Työsuoritus on yleensä samanlainen kuin kaasuhitsauksessa. Hitsaajan työkalu on hitsain. Se toimii elektrodin pitimenä, johtaa virran elektrodiin ja ohjaa suojakaasun hitsaustapahtuman suojaksi.
TIG-hitsausta käytetään erityisesti paine- ja prosessiputkien hitsaukseen sekä ruostumattoman teräksen ja alumiinin hitsaukseen. Se soveltuu myös kuparin ja titaanin hitsaukseen. TIG-hitsaus sopii kaikille hitsausasennoille. Sitä käytetään myös erilaisissa pienimuotoisissa korjaustöissä, koska se on hyvin kätevä ja pieniin hitsauksiin sopiva menetelmä. Hitsausvirta on yleensä tasavirtaa elektrodin ollessa kytketty virtalähteen miinusnapaan. Alumiinin hitsauksessa käytetään puolestaan vaihtovirtaa. Tyypillinen virta-alue on 20-300 A. TIG-hitsauksessa syntyy huuruja yleensä niin vähän, että niistä ei ole haittaa. Otsonia syntyy sitä vastoin merkittäviä määriä ruostumattoman teräksen ja alumiinin hitsauksessa. 6 B.6.7 Kaasuhitsauksen periaatteet Kaasuhitsaus (3) ja TIG-hitsaus (141) muistuttavat siten toisiaan, että lisäainelanka syötetään käsin. Muuten prosessit ovat hyvin erilaisia. Kaasuhitsauksen lämmönlähde syntyy kun hitsaussuuttimessa kaksi kaasua, asetyleeni (C 2 H 2 ) ja happi (O 2 ), palaa yhdessä. Näiden kaasujen yhtymisessä syntyvän liekin kuumin kohta on jopa 3100 C. Normaali kaasuliekki jakautuu kolmeen eri vyöhykkeeseen sydänliekki, pelkistävä vyöhyke ja uloin vyöhyke. Normaali liekin kuumin kohta on noin 3 mm sydänliekin kärjestä. Hitsauskaasut säilytetään yksittäisissä pulloissa tai kytkemällä useita pulloja yhteen ns. pullopaketiksi. Paineensäätimestä ja takaiskusuojasta kaasu kulkee hitsausletkun läpi takatulisuojaan, polttimen runkoon ja siitä polttimeen. Kaasuhitsaus soveltuu erityisesti seostamattoman teräksen päittäishitsaukseen aineenpaksuudelle 6 mm asti. B.6.8 Plasmahitsauksen periaatteet Plasmahitsaus (15) on kaasukaarihitsausmenetelmä, jossa pääasiallisena hitsauslämmön lähteenä on kaaren muodostama plasma. Hitsauksessa plasma aikaansaadaan sähköpurkauksella, kaasuatmosfäärin läpi kulkevalla valokaarella. Tällöin valokaaren lämpö saadaan tehokkaasti siirtymään virtaavaan kaasuun, joka kurottavan suuttimen läpi purkautuessaan muodostaa plasman. Hitsaustapahtumassa valokaaren sähköenergia muutetaan plasmapatsaan termiseksi ja kineettiseksi energiaksi. Plasmahitsausta muistuttaa paljon TIG-hitsaus. Pääero näiden välillä on valokaaren muodossa. TIGhitsauksessa valokaari on muodoltaan kartiomainen. Plasmahitsauksessa on valokaari on kuroutunut niin, että valokaari l. plasmapatsas on lähes lieriömäinen. Plasmahitsauksessa on kaksi erityyppistä valokaarta: plasmakaari (engl. transferred arc) ja plasmasuihku (engl. non-transferred arc).
7 Plasmahitsauksen oleellinen ero muihin kaasukaarihitsausmenetelmiin on valokaaren kuroutus l. valokaari pakotetaan kulkemaan plasmakaasuvirtauksen mukana tehokkaasti jäähdytetyn kuparisuuttimen läpi, jolloin kaaren muoto muuttuu kartiokkaisesta sylinterimäiseksi patsaaksi. Kaaren kuroutukseen liittyy useita plasmahitsaukselle ominaisia etuja. Yleensä lähtökohtana on plasmahitsauksessa, että lisäainetta ei käytetä. Mutta sitä voidaan myös käyttää, mikä edellyttää langansyöttölaitetta. Plasmahitsausta käytetään eniten ruostumattoman teräksen hitsauksessa, koska plasmahitsauksella on juuri ruostumattoman teräksellä saavutettavissa paras hyöty. Tyypillinen aineenpaksuusalue on 3-8 mm. Plasmahitsauksen käyttöalue alkaa selvästi ohuemmista aineenpaksuuksista kuin muiden kaarihitsausmenetelmien. Ohuin aineenpaksuus on luokkaa n. 0,02 mm. Tyypillinen vielä yhdellä palolla lävistävällä plasmalla hitsattava I-railoon aineenpaksuus on aineenpaksuudesta riippuen n. 8-12 mm. Suuremmilla aineenpaksuuksilla plasmahitsausta käytetään Y-railon pohjapalon hitsaukseen ja täyttö suoritetaan muilla menetelmillä. Suojakaasun tehtävänä on suojata hitsaustapahtuma ilman hapelta ja typelta. Argon on yleisimmin käytetty kaasu myös suojakaasuna. Argon-vetyseoksia käytetään myös suojakaasuina vastaaville materiaaleille kuin plasmakaasunakin. Lisäksi on muistettava, että suojakaasu ei joudu kosketuksiin elektrodin kanssa, jolloin suojakaasuna voidaan käyttää myös aktiivisia kaasuja, esim. hiilidioksidia, argonin joukossa. Argon-heliumseoksia käytetään myös suojakaasuina. Usein hitsin juurenpuoli suojataan erillisellä suojakaasuvirtauksella. Juurikaasuina käytetään perusainekohtaisia kaasuja, jotta estettäisiin hapettuminen. Juurikaasu parantaa myös juuren muotoa. Juurikaasuina käytetään mm. argonia ja ns. formierkaasua (N+12%H 2 ).
B.6.9 Jauhekaarihitsauksen periaatteet 8 Jauhekaarihitsaus (12) on metallikaarihitsausmenetelmä, jossa valokaari palaa lisäaineen ja hitsisulan (työkappaleen) välillä kaariontelossa hitsausjauheen alla. Valokaari toimii aineen sulattamiseen tarvittavan lämmön lähteenä. Hitsaustapahtuman suojaa ympäröivältä atmosfääriltä hitsausjauhe, josta osa sula muodostaen kuonasulan ja myöhemmin jähmettyneen kiinteän kuonan hitsin päälle, ja, josta osa jää irtonaisena jauhekerroksena hitsaustapahtuman päälle. Tehokkaana menetelmänä jauhekaarihitsausta käytetään paljon lähinnä keskiraskasta ja raskasta hitsaustyötä tekevässä konepaja- ja telakkateollisuudessa. Jauhekaariaineiden osuus on eri maissa yleensä luokkaa 5-10 % koko lisäainekulutuksesta. Telakoilla jauhekaarihitsausta käytetään paljon, esim. levyjen päittäishitsaus ja jäykkääjien pienahitsaus levykenttiin tuotantolinjoilla (ns. lakanalinjoilla). Telakoilla valmistetaan laivoihin tulevia erilaisia palkkeja (I- ja T- palkit), jotka valmistetaan kapeista ja pitkistä levysuikaleista pienahitsauksena jauhekaarimenetelmällä. Jauhekaaritraktoreilla suoritetaan myös erilaisia kansirakenteiden hitsauksia. Hitsattavat levynpaksuudet ovat yleensä luokkaa 5-40 mm. Jauhekaarihitsausta käytetään etupäässä terästen hitsaukseen. Se soveltuu hyvin kaikille hitsattaville teräksille, esim. seostamattomat teräkset, hienoraeteräkset, kuumalujat teräkset, suurilujuiset teräkset ja ruostumattomat teräkset. Hitsausarvot ja lämpökäsittelyt valitaan teräskohtaisesti. Joidenkin teräslaatujen hitsauksessa joudutaan rajoittamaan hitsausenergiaa aina lähelle 10 kj/cm, mikä kuitenkaan ei ole mahdoton toteuttaa jauhekaarihitsauksessa. Ei-rautametalleista jauhekaarihitsausta on käytetty lähinnä vain nikkeliseoksille ja ennen kaikkea nikkeliseoksia käytetään lisäaineina päällehitsauksessa. Kevytmetallien, alumiinin ja titaanin, jauhekaarihitsausta ei ole vielä kehitetty teknisesti riittävän pitkälle.