Vastushitsausopas
Esipuhe Vastushitsausopas on laadittu avuksi Ruukin asiakkaille sekä yhteistyökumppaneille kuten tutkimuslaitoksille ja koulutuskeskuksille, jotka käyttävät tai suunnittelevat vastushitsauksen käyttöä tuotantoprosessissaan. Oppaasta löytyy taustaa ja ohjeita hitsausparametrien valintaan sekä suositellut hitsausarvot Ruukin kylmävalssatuille sekä metallipinnoitetuille ohutlevyille. Ruukki on metalliosaaja, johon voit tukeutua alusta loppuun, kun tarvitset metalleihin pohjautuvia materiaaleja, komponentteja, järjestelmiä ja ratkaisukokonaisuuksia. Kehitämme jatkuvasti toimintaamme ja tuotevalikoimaamme vastaamaan tarpeitasi. 2
Vastushitsausopas 1. Sisällysluettelo 1. Yleistä vastushitsauksesta...4 2. Vastushitsaus ohutlevyjen limiliitosten valmistuksessa...4 3. Vastushitsauksessa säädettävät parametrit...5 Hitsausvirta ja -virran vaikutusaika...5 Elektrodit ja puristusvoima...6 Esi - ja jälkipuristusaika...6 Muita säädettäviä parametreja...7 4. Lämmöntuonti...7 Lämpötasapaino...7 5. Työkappaleen sähköinen vastus...7 6. Kylmävalssattujen pinnoittamattomien ja pinnoitettujen teräslevyjen hitsattavuus...8 Teräsohutlevyjen hitsattavuus...8 Sinkkipinnoitettujen ohutlevyjen vastushitsaus...10 Liimattujen ja maalattujen ohutlevyjen hitsaus... 11 Lian, oksidien ja suojaöljyjen vaikutus vastushitsattavuuteen... 11 7. Vastushitsauslaitteisto... 11 8. Elektrodit... 12 9. Pistehitsaus... 12 Pistehitsauksen työvaiheet... 13 Hitsauslinssin syntyminen... 14 Hitsattavuusalue... 15 Hitsausparametrien valintataulukko kylmävalssatuille ja pinnoitetuille ohutlevyille... 16 Pistehitsien mekaaniset ominaisuudet... 16 Pistehitsien testaus ja laadunohjaus... 17 Sinkkipinnoitetun ohutlevyn pistehitsaus... 18 Muita pistehitsauksessa huomioitavia tekijöitä... 19 10. Käsnähitsaus... 19 Käsnähitsauksen edut... 19 Sinkkipinnoitetun ohutlevyn käsnähitsaus... 20 Muuta käsnähitsauksesta... 21 Käsnähitsauksessa käytettävien hitsausparametrien valintataulukko... 21 11. Kiekkohitsaus... 21 Kiekkohitsauksen edut...23 Sinkkipinnoitettujen ohutlevyjen kiekkohitsaus...23 Hitsausparametrien valintataulukko pinnoittamattomille ohutlevyille...23 Kiekkohitsauksessa huomioitavia tekijöitä...23 12. Kirjallisuutta ja standardeja...24 Liite: Suositellut hitsausarvot...24 Kylmävalssatut, pinnoittamattomat ohutlevyt...25 Kuumasinkityt ohutlevyt... 26 Galvannealed-pinnoitetut ohutlevyt... 28 Galfan-pinnoitetut ohutlevyt... 29 3
1. Yleistä vastushitsauksesta Vastushitsaus on teräsohutlevyjen yleisin liitosmenetelmä. Hitsaus tapahtuu ilman lisäainetta ja hitsisulan tarvitsema lämpö syntyy yhteenliitettävien työkappaleiden vastuksista, kun niiden läpi ohjataan korkea hitsausvirta. Työkappaleiden väliin saadaan syntymään sähköäjohtava kontaktipinta puristamalla niitä vastakkain. Kontakti saadaan aikaan joko yhteenliitettävien kappaleiden hitsauspintojen tai elektrodien muotoilulla. Vastushitsauksessa käytetään seostetusta kuparista valmistettuja, vesijäähdytettyjä elektrodeja. Elektrodien tehtävänä on välittää puristusvoima liitoskohtaan ja ohjata hitsausvirta haluttua reittiä liitokseen. Hitsauksen jälkeen elektrodien tehtävänä on jäähdyttää hitsi nopeasti. (a) pistehitsaus (b) käsnähitsaus Vastushitsauksessa työvaiheet ovat erittäin nopeita. Hitsattavia pintoja ei tarvitse yleensä puhdistaa ennen hitsausta eikä hitsi vaadi hiontaa tai jälkilämpökäsittelyjä. Vastushitsaus on helposti automatisoitavissa. Vastushitsaus on erittäin tehokas tuotantomenetelmä, joka soveltuu erityisesti automatisoituihin tuotantolinjoihin ja suurille tuotantomäärille. Menetelmän joustavuus, laitteiston yksinkertaisuus ja hitsauksen helppo hallinta tekevät siitä sopivan liittämismenetelmän myös piensarjatuotantoon. Merkittävä etu vastushitsauksessa on laaja metallisten rakenneaineiden määrä, jota eri menetelmillä voidaan liittää. Vastushitsaus sopii hyvin myös tavallisimpien metallipinnoitettujen ohutlevyjen hitsaukseen. Käytetyin hitsausmenetelmä on pistehitsaus, jonka avulla kappaleet kiinnitetään tosiinsa limiliitoksella. Vastushitsausmenetelmillä limiliitoksia valmistettaessa suurin työkappaleiden yhteispaksuus on pinnoittamattomilla teräksillä n. 6 mm ja pinnoitetuilla n. 4 mm. Limiliitoksien valmistamiseen sopivat myös kiekko- ja käsnähitsaus. Levyt voidaan liittää toisiinsa myös päittäisliitoksella, jolloin puhutaan leimu- tai tyssähitsauksesta. Näillä menetelmillä valmistetaan yleensä putkien ja 2. (c) kiekkohitsaus Kuva 1. Vastushitsausmenetelmät profiilien tai paksumpien levyjen päittäisliitoksia. Profiileja tai esimerkiksi kiinnityspultteja voidaan myös liittää tasomaisten kappaleiden pintaan, jolloin puhutaan tapinhitsauksesta. Myös hitsimuttereita ja muita kiinnikkeitä on mahdollista vastushitsata kappaleen pintaan. Tässä julkaisussa käsitellään ohutlevyjen piste-, kiekko- ja käsnähitsausta (kuva 1.). Vastushitsaus ohutlevyjen limiliitosten valmistuksessa Vastushitsausmenetelmien taloudellisuus ja tehokkuus on tehnyt niistä erittäin suosittuja ohutlevyliitosten valmistuksessa. Suurimpia vastushitsauksen käyttäjiä ovat autoteollisuus sekä kodinkoneiden valmistajat. Tehokkaimmillaan vastushitausmene- 4
Vastushitsausopas 3. telmät ovat automatisoidussa tuotannossa, kun tuotantomäärät ovat riittävän suuret. Piste-, kiekko- ja käsnähitsauksessa suurin työkappaleiden yhteispaksuus on n. 6 mm. Liitettäessä eri paksuisia kappaleita keskenään, valitaan hitsausvirta ohuemman levyn mukaan. Limiliitoksia voidaan valmistaa liittämällä keskenään samanaikaisesti useampiakin levyjä. Tällöin hitsausvirta valitaan myös ohuimman työkappaleen mukaan. Eri paksuisten levyjen liittämisessä piste- ja kiekkohitsauksella ei kappaleiden paksuuksien suhde saa olla suurempi kuin 3:1. Käsnähitsauksessa tällaista rajoitetta ei ole. Vastushitsaus on erittäin käyttökelpoinen liittämismenetelmä sinkkipinnoitetuille ohutlevyille. Limiliitoksia valmistettaessa sinkki sulaa ennen perusainetta liitoskohdasta ja työntyy hitsin kohdalta syrjään. Näin hitsi syntyy perusaineesta ja sinkkipinnoite jää ehjäksi elektrodien kosketuskohdasta ja hitsin reunalta liitospintojen välistä. Ohutlevyjen limiliitosten valmistuksessa vastushitsaus on tehokkuudeltaan ja kustannuksiltaan ylivoimainen muihin hitsausmenetelmiin verrattuna. Laitteisto ja sen käyttö on edullista. Limiliitosten valmistuksessa kilpailemaan pystyvät lähinnä mekaaniset liitokset ja liimaus. Joidenkin mekaanisten liitosten etuna vastushitsaukseen nähden on, että liitos voidaan myöhemmin avata rikkomatta itse tuotetta. Limiliitosten käyttö on otettava huomioon jo suunnitellessa lopputuotetta. Liitosten valmistus vaatii riittävää työkappaleiden päällekkäisyyttä. Limitys riippuu käytetystä hitsausmenetelmästä ja työkappaleen paksuudesta. Samaten kotelorakenteissa ja monimutkaisissa työkappaleissa on huomioitava hitsauselektrodien ja elektrodivarsien vaatima tila hitsattaessa. Vastushitsauksessa säädettävät parametrit Tärkeimmät säädettävät parametrit vastushitsauksessa ovat hitsausvirta, hitsausvirran vaikutusaika, elektrodien puristusvoima ja elektrodien muoto sekä elektrodimateriaalin valinta. Muita säädettäviä parametrejä ovat esi- ja jälkipuristusajan pituus, mahdolliset lämpökäsittelyt ennen varsinaista hitsausta tai sen jälkeen, hitsausvirran nousu- ja laskunopeuden säätö (slope-toiminto), puristuspaineen suuruuden muutokset ja jaksotus eri työvaiheiden mukaan ja hitsausvirran pulssitus. Tavallisimmissa vastushitsauskoneissa ei ole kaikkia mainittuja säätömahdollisuuksia. Kuva 2. Vastushitsauksen työvaiheita. Hitsausvirran nousu- ja laskunopeutta on säädetty slope toiminnolla ja virtapulssin jälkeen on käytetty lämpökäsittelyä, lisäksi puristusvoimaa on nostettu hitsauksen loppuvaiheessa. Hitsausvirta ja -virran vaikutusaika Hitsausvirta vaikuttaa eniten hitsausliitoksessa syntyvään lämpömäärään. Pieni hitsausvirran lisääminen kasvattaa nopeasti hitsin halkaisijaa, tunkeumaa ja sitä kautta myös hitsin lujuutta. Hitsausvirtaa säädetään useimmissa vastushitsauskoneissa prosenttiosuutena hitsauskoneen nimellistehosta. Joissakin laitteistoissa virtaa säädetään myös muuttamalla hitsausmuuntajan muuntosuhdetta. Hitsausvirran vaikutusaikaa (virta-aika) lisättäessä hitsin koko kasvaa hitaammin kuin säädettäessä hitsausvirtaa. Hitsausvirran vaikutusajan pituutta säädetään jaksoina. Yhden jakson pituus on 0,02 sekuntia 50 Hz:n verkkotaajuudella (USA:ssa 60 Hz) Hitsausliitokseen tuotu energiamäärä riippuu käytetystä hitsausvirrasta ja sen vaikutusajan pituudesta. Vastushitsauksessa pyritään useimmiten lyhyisiin vaiheaikoihin, jolloin hitsausvirta säädetään korkeaksi ja vastaavasti hitsataan mahdollisimman lyhyellä virta-ajalla. Tällöin hitsin ympäristöön ehtii johtua vähemmän lämpöä ja kappaleen lämpö- 5
laajeneminen on vähäisempää. Hitsi myös jähmettyy ja jäähtyy nopeammin. Liian matalalla hitsausvirralla hitsattaessa työkappale ja elektrodit johtavat kaiken syntyneen lämmön pois liitosalueelta, jolloin hitsisulaa ei synny lainkaan. Erityisesti alumiinin ja kuparin hyvä lämmönjohtokyky nostaa pienintä käytettävissä olevaa hitsausvirtaa merkittävästi teräkseen verrattuna. Hitsausvirran vaikutusajan lisääminen lisää elektrodien kulumista ja painumaa työkappaleeseen. Samalla lämpö ehtii johtua laajemmalle alueelle hitsin ympäristöön. Tällöin hitsi jäähtyy hitaammin, mistä voi olla hyötyä hitsattaessa materiaaleja, joilla on taipumusta haurastumiseen tai karkenemiseen. Hitaampi jäähtyminen on huomioitava riittävän pitkänä jälkipuristusaikana. Elektrodit ja puristusvoima Elektrodien tehtävänä on välittää puristusvoima ja hitsausvirta haluttuun kohtaan. Elektrodit myös jäähdyttävät hitsausliitosta koko hitsausprosessin aikana. Puristusvoiman suuruus vaikuttaa elektrodien kärkien kontaktiin työkappaleen pintaan. Liian pieni puristusvoima ei synnytä tarvittavaa kontaktia työkappaleiden kesken eikä elektrodien ja työkappaleen välillä. Tällöin voi esiintyä kipinöintiä ja hitsisulan roiskumista sekä elektrodien nopeaa kulumista. Liian suuri puristusvoima johtaa elektrodien liialliseen painumaan työkappaleen pintaan. Voimakas painuma vähentää hitsin lujuutta. Joissakin hitsauskoneissa voidaan puristusvoiman suuruutta muuttaa eri hitsausprosessin vaiheissa. Näin voidaan ottaa huomioon paremmin korkean kontaktivastuksen tai hyvän sähkönjohtavuuden aiheuttamat ongelmat. Elektrodien muoto ja halkaisija vaikuttavat piste- ja kiekkohitsauksessa merkittävästi hitsausprosessiin ja hitsin ominaisuuksiin. Elektrodeilla on oltava oikea halkaisija suhteessa työkappaleen paksuuteen. Piste- ja kiekkohitsauksessa elektrodin kärjen halkaisija on tavallisesti 5 t, missä t on työkappaleen paksuus. Elektrodien muoto ja halkaisija vaikuttavat puristusvoiman keskittymiseen ja virrantiheyteen liitoskohdassa ja näin myös jossain määrin hitsattavuusalueen sijaintiin. Kuperilla elektrodeilla voidaan kompensoida työkappaleen asetuksessa tai elektrodien kohdistuksessa esiintyviä ongelmia. Elektrodimateriaalilla voidaan vaikuttaa jonkin verran jäähdytyskykyyn ja liitoskohdan lämpötasapainoon. Esi - ja jälkipuristusaika Esipuristusajan pituus ei vaikuta hitsin ominaisuuksiin. Sen tulee kuitenkin olla niin pitkä, että elektrodien puristusvoima saavuttaa säädetyn tason ennen hitsausvirran kytkemistä. Liian lyhyt esipuristusajan pituus johtaa hitsisulan roiskumiseen liitoskohdasta tai pintaroiskeeseen elektrodin ja työkappaleen kosketuspinnasta. Riittävä puristusvoima pitää hitsisulan liitoskohdan välissä eikä se pääse työntymään tai roiskumaan kontaktipintojen tukeman alueen ulkopuolelle. Oikealla puristusvoimalla hitsattaessa elektrodien kosketuspinnassa ylimenovastus jää niin pieneksi, ettei sulamista tällä rajapinnalla tapahdu ja elektrodit pystyvät jäähdyttämään hitsausliitosta kunnollisesti. Tällöin liitoksella on hyvä lämpötasapaino: Suurin osa hitsausenergian tuomasta lämmöstä syntyy työkappaleiden välisessä liitoskohdassa, minne hitsin on tarkoitus syntyä. Kuva 3. Erityyppisiä elektrodeja. Vasemmalla suora standardielektrodi halkileikattuna, kuvasta näkyy viistopäinen jäähdytysputki. Muut elektrodit: korotettu tasakärkinen, kupera ja leveä tasakärkinen elektrodi. 6
Vastushitsausopas Jälkipuristusajan pituuden on oltava riittävä, jotta hitsisula ehtii jähmettyä ja saavuttaa riittävän lujuuden kantamaan liitoksessa esiintyviä kuormia. Jälkipuristusajan pituutta lisäävät siten työkappaleen paksuus ja hitsausvirran vaikutusajan pituus. Tavallisesti jälkipuristusaika on pistehitsauksessa pituudeltaan 10 50 jaksoa. Materiaaleilla, joilla esiintyy taipumusta haurastumiseen tai karkenemiseen, voidaan käyttää mahdollisimman lyhyttä jälkipuristusaikaa, jolloin elektrodien jäähdyttävä vaikutus poistuu hitsausliitoksesta nopeasti (10-20 jaksoa). Sinkityillä ohutlevyillä jälkipuristusaika säädetään mahdollisimman lyhyeksi elektrodien kulumisesta johtuen. Muita säädettäviä parametreja Hankalammin hitsattavilla materiaaleilla tai suurilla ainespaksuuksilla joudutaan käyttämään hitsausvirran pulssitusta tai lämpökäsittelyjä. Lämpökäsittelyt ovat matalampia virtapulsseja, jotka syötetään varsinaista hitsausvirtaa ennen tai jälkeen. Hitsausvirran pulssituksella saadaan energian tuontia keskitettyä paremmin juuri liitoskohtaan ja tällöin voidaan käyttää suhteellisesti korkeampaa hitsausvirtaa. Tästä on etua hitsattaessa suuria ainespaksuuksia, eri paksuisia ja hyvin lämpöä johtavia materiaaleja. Lämpökäsittelyistä on hyötyä karkenevilla materiaaleilla. Hitsausvirran nousu- ja laskunopeutta voidaan säätää slope-toiminnolla. Sinkityillä ohutlevyillä virrannousukulman säätö antaa sinkkipinnoitteelle enemmän aikaa poistua liitoskohdasta. Slope-toiminnolla voidaan estää esim. alumiinilla korkean kontaktivastuksen haitallista vaikutusta hitsauksen alkuvaiheessa. Slope-jakson pituuteen vaikuttaa hitsattavan materiaalin paksuus. Tyypillisesti Slope-säädön pituus vaihtelee välillä 1-4 jaksoa. Q = I 2 Rt Q = syntynyt lämpö, joulea I = virta, ampeeria R = työkappaleen kokonaisresistanssi, ohmia t = lämmöntuonnin kokonaisaika (hitsausvirran vaikutusaika), sekuntia Syntyneeseen lämpömäärään vaikuttaa virta neliöön korotettuna ja aika sekä vastus suoraan verrannollisesti. Osa syntyneestä lämmöstä kuluu metallin sulattamiseen eli hitsin syntymiseen ja osa johtuu ympäröivään työkappaleeseen ja elektrodeihin. Vastushitsauksessa lämmöntuontia hallitaan ohjaamalla virtaa ja hitsausaikaa. Työkappaleella on materiaalista riippuvat ominaisvastus ja lämmönjohtumiskertoimet, joihin ei voida vaikuttaa. Työkappaleen kokonaisvastukseen vaikuttaa kuitenkin käytetty puristusvoima ja työkappaleiden pinnan ominaisuudet, kuten oksidikalvon paksuus, puhtaus ja mahdolliset pinnoitteet. Lämpötasapaino Liitoksella on hyvä lämpötasapaino, kun hitsin tunkeuma on yhtäsuuri molemmissa liitettävissä kappaleissa ja suurin osa liitoskohdan lämmöstä syntyy työkappaleiden välissä. Yleensä vastushitsattaessa limiliitoksia hitsattavat työkappaleet ovat samaa materiaalia ja niillä on sama paksuus sekä pintaominaisuudet. Kun liitetään eri paksuisia ja vastukseltaan eroavia materiaaleja, voi ongelmaksi muodostua hitsausliitoksen lämpötasapaino. Lämpötasapainon muuttuessa syntyy toisessa työkappaleessa enemmän lämpöä, jolloin hitsin tunkeuma siirtyy pois liitoksen keskilinjalta. Tällaisessa liitoksessa hitsin kantama kuorma ei vastaa tilannetta, jossa hitsi on liitoksen keskellä. 4. Lämmöntuonti Sähköä johtavassa kappaleessa syntyvä lämpömäärä riippuu kolmesta tekijästä: sähkövirran voimakkuudesta, kappaleen vastuksesta ja kappaleen kautta kulkevan virran ajallisesta kestosta. Syntynyt lämpö voidaan laskea kolmen tekijän pohjalta seuraavan kaavan mukaan: 5. Lämpötasapainoon voidaan vaikuttaa työkappaleiden paksuutta muuttamalla tai käyttämällä elektrodeissa eri halkaisijoita tai seostusta. Työkappaleen sähköinen vastus Vastushitsauksessa hitsausvirran synnyttämään lämpömäärään vaikuttaa työkappaleiden ja kontak- 7
Kuva 4. Työkappaleen ja elektrodien kokonaisvastus ja sen vaikutus lämmöntuontiin. Kontaktipinnat näkyvät selvinä piikkeinä kokonaisvastuksessa ja liitoksessa syntyneessä lämpötilassa. tipintojen synnyttämä kokonaisvastus. Kokonaisvastus muuttuu hitsaustapahtuman aikana, mistä syystä siitä käytetään myös nimitystä dynaaminen vastus. Dynaaminen vastus muodostuu hitsattavan materiaalin ominaisvastuksesta ja työkappaleiden ja elektrodien välisistä kontaktivastuksista. Suurin osa kokonaisvastuksesta muodostuu työkappaleen ominaisvastuksesta. Teräksen ominaisvastus kasvaa lämpötilan noustessa tai seosaineiden pitoisuuksien lisääntyessä. Esimerkiksi HSLA-teräksiä voidaan hitsata matalammilla virroilla kuin seostamattomia teräksiä. Kontaktivastus (ylimenovastus) riippuu paljolti työkappaleen pinnan laadusta. Hapettumat ja epäpuhtaudet lisäävät ylimenovastusta. Liian suuri kontaktivastus vaikeuttaa hitsausta ja häiritsee liitoksen lämpötasapainoa. Kylmävalssatuilla teräksillä kontaktivastuksen suuruus ei aiheuta ongelmia, mutta esimerkiksi alumiinille nopeasti kehittyvä oksidikalvo aiheuttaa usein vaikeuksia vastushitsauksessa. Oksidikalvon kontaktivastus on suuri ja etenkin paikalliset vaihtelut kontaktivastuksen suuruudessa vaikeuttavat työskentelyä. Kontaktivastus on suurimmillaan työkappaleiden välillä, koska pehmeämmät kuparielektrodit saavat työkappaleen pintaan paremman kosketuksen. Suuri kontaktivastus kappaleiden välissä saa hitsin syntymään työkappaleiden väliin, kuva 4. 6. Kontaktivastuksen suuruuteen vaikuttaa kosketuspinta-alan suuruus. Kontaktivastus laskee työkappaleen ja elektrodin välillä kun elektrodin kärjen pintaalaa kasvatetaan tai lisätään puristusvoimaa, jolloin todellinen kontaktipinta-ala kasvaa pinnanhuippujen tyssäytyessä. Käsnähitsauksessa työkappaleiden välinen kontaktipinta-ala on moninkertaisesti pienempi kuin työkappaleen ja elektrodien välillä. Näin kontaktivastus tuo liitoskohtaan lämpöä juuri siinä kohdassa mihin hitsi syntyy. Myöskään elektrodien kontaktipinta ei kuumene, jolloin likaantuminen ja muu elektrodin kuluminen vähenee merkittävästi. Elektrodien likaantuminen ja seostuminen hitsattavan materiaalin kanssa johtavat kontaktivastuksen kasvuun. Kasvanut elektrodin ja työkappaleen kontaktivastus (R1, kuva 4.) lisää lämmön syntymistä niiden rajapinnalla, mikä johtaa elektrodien nopeampaan kulumiseen ja likaantumiseen, liitoksen lämpötasapainon heikkenemiseen sekä hitsin halkaisijan pienenemiseen. Kylmävalssattujen pinnoittamattomien ja pinnoitettujen teräslevyjen hitsattavuus Teräsohutlevyjen hitsattavuus Matalahiilisiä kylmävalssattuja teräksiä pidetään hitsattavuudeltaan parhaina, mistä syystä muita materiaaleja usein verrataan niiden hitsattavuuteen. Tavallisimmin vastushitsattavat materiaalit ovat kylmävalssattuja ohutlevyjä. Kuumavalssattuja ja peitattuja levyjä vastushitsataan myös jonkin verran. Ohutlevyt ovat yleensä matalahiilisiä teräksiä (C 0,15 %). Niiden hitsattavuus on hyvä. Hitsattavuusalue on laaja ja parametreja voidaan säätää monipuolisesti. Paras tulos pistehitsauksessa saadaan käyttämällä suurta virtaa ja lyhyttä hitsausvirran vaikutusaikaa sekä korkeaa puristuspainetta. Terästen mekaanisiin ominaisuuksiin ja myös hitsattavuuteen vaikuttaa merkittävästi teräksen hiilipitoisuus. Hiilipitoisuuden kasvu heikentää teräksen hitsattavuutta. Hiilipitoisuuden kasvaessa joudutaan lisäämään virta-aikaa ja vastaavasti vähentämään hitsausvirtaa. Lämmöntuonti tapahtuu tällöin pidemmällä aikavälillä ja samaten jäähtyminen on hitaampaa, johtuen työkappaleen suuremmasta 8
Vastushitsausopas lämpenemisestä. Hidas jäähtyminen vähentää hitsin mahdollista karkenemista. Karkeneminen aiheuttaa hitsiin haurautta ja lisäksi se saattaa aiheuttaa säröjä. Keski- ja runsashiilisiä teräksiä voidaan vastushitsata, mutta varsin usein hitsit joudutaan lämpökäsittelemään. Lämpökäsittely voidaan tehdä joko hitsauksen yhteydessä erillisillä virtapulsseilla tai koko työkappaleen hitsauksen jälkeisellä lämpökäsittelyllä. Hiilen lisäksi myös muut seosaineet vaikuttavat hitsin ominaisuuksiin. Seosaineiden lisääminen vaikuttaa merkittävästi lämmöntuonnista syntyviin mikrorakenteisiin. Teräksen seostus yhdistettynä vastushitsaukselle ominaiseen nopeaan hitsin jäähtymiseen voi johtaa koviin ja hauraisiin mikrorakenteisiin tai hitsissä saattaa esiintyä säröjä ja kuumahalkeamia. Fosfori ja rikki heikentävät terästen vastushitsattavuutta. Näiden seosaineiden merkitys vastushitsattavuuteen riippuu niiden yhteisvaikutuksesta teräksessä. Kun teräksen hiili-, fosfori- ja rikkipitoisuudet ovat riittävän suuret, vastushitsit murtuvat hauraasti. Hyviä kokemuksia vastushitsattavuuden parantamisesta on saatu vähentämällä teräksen hiilipitoisuutta ja vastaavasti lujittamalla terästä fosforiseostuksella. Rikin vaikutusta voidaan vähentää mangaaniseostuksella, jolloin suurin osa rikistä sitoutuu mangaanisulfidiksi. Rikkipitoisuuden tulisi olla alle 0,035 %. Rikki aiheuttaa kuumahalkeilua yli 0,050 % pitoisuudella. Hiilipitoisuuden ja muiden seosaineiden yhteisvaikutusta hitsin karkenevuuteen kuvataan hiiliekvivalentilla CEV. Hiiliekvivalenteille on olemassa useita laskentakaavoja, joista tässä on esitettynä kaksi. CEV 1= C + Mn/6 + (Ni + Cu)/15 + (Cr + Mo + V)/5 CEV 2= C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B Vastushitsauksessa teräkset ovat hyvin hitsattavia kun hiiliekvivalenttien arvot ovat alle seuraavien rajojen: CEV 1< 0,13 ja CEV 2< 0,15. Näiden rajojen yläpuolella vastushitsaus voi onnistua ilman erityistoimenpiteitä, mutta mahdollisuus hitsin haurastumiseen tulee ottaa huomioon. Varsin usein riittää, että hitsausvirran vaikutusaikaa pidennetään rajojen ylittyessä. Seosainepitoisuudet vaikuttavat karkenemisen lisäksi muutoinkin hitsin murtumiskäyttäytymiseen. Seuraavilla laskentakaavoilla arvioidaan rikin, fosforin ja piin vaikutusta murtumistyyppiin kahdessa eri rikkovassa tarkastusmenetelmässä. Ristivetokokeessa ei esiinny osittain haurasta murtumaa kun: C + 1,91S + 0,64P < 0,153. Aukirullauskokeessa ei esiinny hauraasti murtuneita alueita kun: C + 3,23S + 0,179P - 0,043Si < 0,095. Edellä esitetyt laskentakaavat ovat suuntaa antavia. Valmistuksessa käytettyjen materiaalien hiiliekvivalentit ja suhdeluvut kannattaa tarkistaa ja jos on syytä epäillä seostuksen vaikuttavan hitsin mekaanisiin ominaisuuksiin, on suoritettava koehitsauksia eri parametreilla ja murrettava hitsit tarkastusta varten. Erikoislujissa niukkaseosteisissa rakenneteräksissä (HSLA) on tyypillisesti seosaineina titaania, niobia tai vanadiinia. Nämä teräkset ovat hyvin hitsattavia. Ohutlevyn seostus vaikuttaa karkenevuuden lisäksi materiaalin ominaisvastukseen. Seosaineet lisäävät materiaalin sähköistä vastusta, mikä näkyy mm. hitsattavuusalueen siirtymisenä kohti matalampia hitsausvirtoja. Lujemmilla teräksillä hitsattavuusalue voi olla laajempi kuin tavallisilla seostamattomilla teräksillä. Hitsauksen alkuvaiheessa kontaktipinnan pinnanhuippujen on tyssäydyttävä, jotta saadaan aikaan riittävä sähköinen kontakti. Lujilla teräksillä joudutaan näin käyttämään suurempia puristuspaineita. Kiekkohitsauksessa eri materiaalien hitsattavuudesta pätevät samat säännöt kuin pistehitsauksessakin, joskin kiekkohitsaus on vaativampi työkappaleen pinnanpuhtauden suhteen. Tämän takia sillä pyritäänkin hitsaamaan vain kylmävalssattuja teräksiä. 9
Sinkkipinnoitteen pitää sulaa täysin liitettävien levyjen välistä, jotta hitsisulaan ei jäisi sinkkisulkeumia. Liiallinen lämmöntuonti voi sulattaa sinkin myös elektrodien kosketuspinnasta. Tällöin sinkkipinnoite vaurioituu valmiin tuotteen pinnalta ja sulaa sinkkiä tarttuu elektrodeihin johtaen niiden käyttöiän lyhenemiseen. Sinkkipinnoitettuja ohutlevyjä voidaan hitsata tasaja kuperakärkisillä elektrodeilla. Kuperiin kärkiin tarttuu vähemmän sinkkiä ja kuperuus auttaa sulan sinkin siirtymistä pois liitettävien kappaleiden välistä. Tasakärkiset elektrodit ovat vastaavasti helpompia puhdistaa ja huoltaa. Kuva 5. Sinkityn ohutlevyn hitsaus. Sinkkipinnoite työntyy liitospinnoilta sivuun ja hitsi syntyy perusaineeseen. Pinnoite jää ehjäksi elektrodien kontaktipinnoilta. Matalahiilisten teräsohutlevyjen vastushitsattavuus käsnähitsauksessa on verrattavissa pistehitsaukseen. Vaihtelut perusaineen kovuudessa voivat aiheuttaa hajontaa käsnien muodossa ja koossa, jolloin käsnähitsaus vaikeutuu. Sinkkipinnoitettujen ohutlevyjen vastushitsaus Sinkkipinnoitteen ominaisvastus ja kontaktivastus ovat pienempiä kuin teräksellä. Sinkkipinnoite lisää hajavirtojen vaikutusta vastushitsauksessa. Sinkittyjen levyjen hitsauksessa käytetään pidempiä virta-aikoja (20-50 %), suurempaa puristuspainetta (10-25 %) ja korkeampaa hitsausvirtaa (30-40%) pinnoittamattomaan teräkseen verrattuna. Sinkittyjen ohutlevyjen hitsaus vaatii tarkempaa hitsausparametrien hallintaa ja niiden hitsattavuusalue on kapeampi kuin pinnoittamattomilla ohutlevyillä. Hitsattavuus heikkenee pinnoitteen paksuuden kasvaessa. Pinnoitettujen materiaalien vastushitsauksessa pyritään siihen, että pinnoite häviää hitsin kohdalta mahdollistaen perusaineiden liittymisen toisiinsa ja että pinnoite säilyy ehjänä elektrodien ja työkappaleen välissä. Sinkin kiinnitarttumisesta johtuen sinkkipinnoitettuja levyjä hitsattaessa pyritään käyttämään lyhyitä kokonaishitsausaikoja. Sinkin tarttuminen elektrodien kärkiin on verrannollinen kärkien ja kuuman sinkin kosketusaikaan. Sinkkipinnoitteen valmistusmenetelmä ja sen sisältämät seosaineet vaikuttavat vastushitsattavuuteen. Sähkösinkityt pinnoitteet ovat yleensä puhtaampia ja ohuempia kuin kuumasinkityksellä tehdyt. Ohuiden pinnoitteiden hitsattavuus on parempi ja ne kuluttavat elektrodeja vähemmän. Sinkki-nikkeli-pinnoitteiden käyttö on lisääntynyt erityisesti autoteollisuudessa sen hyvän vastushitsattavuuden ansiosta. Sinkkinikkelipinnoitettujen levyjen hitsattavuusalue on laaja ja ne kuluttavat suhteellisen vähän elektrodeja. Sinkkirautaseospinnoite (Galvannealed) on paremmin hitsattavaa kuin puhdas sinkkipinnoite. Alumiinisinkkipinnoitteiden hitsattavuus on puhdasta sinkkipinnoitetta heikompi. Hitsattavuus huononee alumiinipitoisuuden lisääntyessä. Tällöin myös elektrodit kuluvat nopeasti. Sinkkipinnoitettujen ohutlevyjen vastushitsauksessa on kiinnitettävä erityistä huomiota elektrodien jäähdytykseen. Käytettävät hitsausvirrat ja -virran vaikutusajat ovat suurempia, jolloin elektrodit kuumenevat enemmän kuin hitsattaessa vastaavan paksuista kylmävalssattua terästä. Elektrodin kärjen kuumeneminen johtaa kahteen ongelmaan: Sinkki tarttuu ja seostuu elektrodikupariin nopeammin ja sinkkipinnoite saattaa sulaa elektrodin kontaktipinnasta. 10
Vastushitsausopas Muille metallisille pinnoitteille pätevät yhtäläiset säännöt kuin sinkkipinnoitetuille. Pinnoitteen on väistyttävä hitsin kohdalta siten, että liitos syntyy hitsattavien kappaleiden perusaineesta. Metallisten pinnoitteiden yhteisenä piirteenä on, että niiden sulamispisteen tulee olla matalampi kuin perusaineella. Metallisilla pinnoitteilla on huomioitava sekä perusaineen että pinnoitteen ominaisuudet. Pinnoitetut työkappaleet voivat vaatia perusaineesta poikkeavaa puhdistusta. Liimattujen ja maalattujen ohutlevyjen hitsaus Joissakin sovelluksissa käytetään limiliitoksissa samanaikaisesti liimaa ja pistehitsausta. Tällaisten liitosten etuna tavalliseen pistehitsattuun rakenteeseen verrattuna on parantunut väsymiskesto ja värähtelyn vaimennus. Umpinaisten kotelorakenteiden korroosiosuojaa parantamaan on kehitetty pohjamaaleja, joilla pinnoitettuja ohutlevyjä voidaan vastushitsata. Liimattujen ja maalattujen ohutlevyjen vastushitsauksessa käytetään kahta menetelmää: Maali tai liima johtaa sähköä niin, että vastushitsaus on mahdollista sellaisenaan, tai hitsausvirta kiertää erillisten johteiden kautta sulattaen liitoskohdan liimakerroksen, jolloin sähköäjohtava kontakti syntyy perusaineiden välille. Liimaliitoksia voidaan myös valmistaa hitsaamalla ennen liiman kuivumis-ta, jolloin liimausjigejä ei tarvita. Liimahitsauksessa on yleensä lisättävä puristusvoimaa ja hitsausvirtaa. Lian, oksidien ja suojaöljyjen vaikutus vastushitsattavuuteen Kylmävalssattujen teräsohutlevyjen pinnalla on suojaöljyjä estämässä kuljetusten ja varastoinnin aikaista korroosiota. Tavanomaisilla öljy- ja rasvapitoisuuksilla on vain vähäinen merkitys terästen vastushitsattavuuteen. Suuret öljy- ja rasvamäärät on pyyhittävä pois. Öljyihin tarttuva lika on huomattavasti haitallisempaa kuin itse öljy. Öljyt ja rasvat palavat ja höyrystyvät pois jo ennen hitsin sulamista, mutta öljyn sisältämä lika jää hitseihin sulkeumina tai tarttuu elektrodeihin. 7. Valssihilse, ruoste ja paksut oksidikalvot vaikeuttavat vastushitsausta ja heikentävät hitsien mekaanisia ominaisuuksia. Niistä jää hitsiin haitallisia sulkeumia, jotka pienentävät kuormaa kantavaa poikkipinta-alaa ja ne voivat toimia säröjen ydintäjinä. Sulkeumien aiheuttamia vikoja on vaikea havaita. Hyvälaatuisia hitsejä tuotettaessa pinnat on puhdistettava edellä mainitusta kerroksista. Pinnalla olevien epäpuhtauksien, valssihilseen ja oksidien määrä riippuu paljolti ohutlevyjen toimitustilasta. Kuumavalssattuja peittaamattomia laatuja ei suositella hitsattavaksi sellaisenaan, koska niissä on paksuja oksidikalvoja ja valssihilsettä. Peitatuilla kuumavalssatuilla ja kylmävalssatuilla ohutlevyillä on pinta yleensä riittävän puhdas vastushitsaukseen. Kylmävalssauksen yhteydessä tehtävässä hehkutuksessa käytetään puhdistavaa vetypitoista suojakaasua, jolloin pinnasta saadaan erittäin hyvin vastushitsaukseen sopivaa. Oksidikerros on ohut ja tasalaatuinen ja pinta puhdistunut. Vastushitsauslaitteisto Yleisimmät vastushitsauskoneet käyttävät hitsausvirtana vaihtovirtaa, jonka taajuutta ei ole muutettu verkkotaajuudesta. Tasavirralla hitsaavat koneet ovat hieman yleistyneet. Näissä hitsausvirta voi olla vähän alempi kuin vaihtovirtakoneissa. Jotkin vastushitsauskoneet muuttavat verkkotaajuuden hitsausvirrassa suurtaajuisemmaksi. Tällöin on etuna mm. muuntajien pienentynyt koko. Korkeataajuinen hitsausvirta keskittyy paremmin liitoskohtaan ja näin voidaan käyttää huomattavastikin matalampaa hitsausvirtaa. Vastushitsauslaitteiston runkoratkaisut voivat olla hyvinkin erilaisia. Puristusvoima tuotetaan suuremmissa hitsauskoneissa ja automatisoidussa tuotannossa pneumaattisten ja hydraulisten sylinterien avulla. Vastushitsauslaitteisto kuormittaa sähkönjakeluverkkoa voimakkaasti hitsauksen aikana. Varsinkin suurilla sarjapistehitsausautomaateilla voi esiintyä ongelmia, jos sähkönjakeluverkon runkojohtimet ovat liian pienet. Ennen vastushitsauslaitteiston hankintaa olisikin syytä varmistaa mahdolliset kuormitettavuuteen liittyvät ongelmat. Vastushitsaus- 11
muusta jäähdytyskierrosta. Laitetoimittajat ilmoittavat yleensä pienimmän jäähdytysveden kiertonopeuden, jota laitteen käytössä ei saa alittaa. Puutteellinen jäähdytys huonontaa liitoksen lämpötasapainoa ja saa elektrodit kulumaan nopeasti. Muuntajan tai kontaktorin puutteellinen jäähdytys voi aiheuttaa koko hitsauslaitteen rikkoutumisen. Kuva 6. Tavanomainen piste/käsnähitsauskone 1 - Pneumaattinen/hydraulinen sylinteri 2 - Työntövarsi 3 - Pistehitsauselektrodit ja elektrodipitimet 4 - T-levyt käsnähitsauselektrodien asennukseen 5 - Kitapinta-ala 6 - Ohjausyksikkö 7 - Muuntaja 8 - Muuntosuhteen valitsija 9 - Joustava johdin laitteiston hankintaa ja käyttöä käsitellään esim. MET:in julkaisussa Piste-, käsnä- ja kiekkohitsauslaitteet. Vastushitsauskoneen ominaisuudet vaikuttavat jossain määrin myös valittaviin hitsausparametreihin. Suurin osa vastushitsauslaitteista käyttää hitsausvirtana vaihtovirtaa, jolloin ferriittisen työkappaleen koko ja hitsauskoneen kitapinta-ala vaikuttavat käytettyyn hitsausvirtaan. Erilaiset muuntajaratkaisut ja muuntajien sijoittelu vaikuttavat myös hitsausvirtaan. Näitä tekijöitä on vaikea arvioida ilman menetelmäkokeista saatua informaatiota. Hitsausarvoja valittaessa tulee huomioida, että taulukoissa annetut ohjearvot saattavat poiketa jossain määrin vastushitsauskoneelle sopivista optimaalisista hitsausparametreista. Vastushitsauskoneissa on jäähdytysjärjestelmä, joka perustuu yleisimmin kiertävään jäähdytysveteen. Jäähdytettyjä komponentteja ovat elektrodit, elektrodivarret, muuntajat ja kontaktorit. Usein muuntajan ja kontaktorien jäähdytys on erillään 8. 9. Elektrodit Elektrodien tehtävänä on puristaa liitettävät pinnat yhteen, johtaa hitsausvirta työkappaleeseen ja jäähdyttää hitsiä ympäristöineen. Nämä vaatimukset edellyttävät elektrodimateriaalilta seuraavia tekijöitä: Materiaalilla on oltava hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky, joiden on poikettava olennaisesti hitsattavan materiaalin vastaavista ominaisuuksista. Elektrodimateriaali ei saa seostua perusaineen kanssa. Tämä on erityisesti ongelmana sinkittyjen ohutlevyjen hitsauksessa, missä sinkki pyrkii seostumaan kuparisiin elektrodeihin. Elektrodien on kestettävä puristuspainetta hitsauksen aikana, joten materiaalin on oltava kuumanakin riittävän lujaa. Lisäksi elektrodimateriaalin on oltava riittävän sitkeää ja sillä tulee olla korkea pehmenemislämpötila. Tästä syystä seostamaton puhdas kupari ei käy elektrodimateriaaliksi. Edellisten vaatimusten johdosta lähes poikkeuksetta elektrodimateriaalina käytetään eri tavoin seostettua kuparia. Tavanomainen elektrodimateriaali sisältää kuparin lisäksi muutamia prosentteja kromia ja zirkoniumia. Elektrodimateriaali tulee valita hitsattavan materiaalin mukaan. Erityisesti sinkkipinnoitettujen ohutlevyjen hitsauksessa tulee käyttää elektrodeissa seosta, joka reagoi sinkin kanssa mahdollisimman vähän. Sinkittyjen ohutlevyjen hitsauksessa on huolehdittava elektrodien riittävästä jäähdytyksestä. Pistehitsaus Pistehitsaus on yleisin vastushitsausmenetelmä. Siinä liitetään ohutlevyjä toisiinsa limiliitoksin. Pistehitsauksella tuotetaan yksittäisiä pistemäisiä hitsejä, joita kutsutaan myös hitsauslinsseiksi. Hitsausvirta ohjataan työkappaleisiin elektrodien kautta, joilla välitetään työkappaleeseen myös puristus- 12
Vastushitsausopas paine. Elektrodit ovat tavallisesti molemmin puolin työkappaletta ja niistä toinen tai molemmat liikkuvat ja välittävät puristusvoiman. Pistehitsauksessa yksittäisen hitsin tuottamiseen käytetään 4-20 ka:n hitsausvirtaa. Hitsausvirran suuruus riippuu hitsattavasta materiaalista ja työkappaleen paksuudesta. Pistehitsejä voidaan hitsata samanaikaisesti useampia, jolloin kyseessä on sarjapistehitsaus. Pistehitsauksessa voidaan käyttää erityyppisiä muuntajaratkaisuja, kuten käy ilmi kuvasta 8. Pistehitsauksen edut ovat taloudellisuus, tehokkuus, hyvä mittatarkkuus ja tuotannollinen varmuus. Sillä voidaan liittää tarkasti ilman suuria muodonmuutoksia useimpia metallisia materiaaleja ja keskenään eripaksuisia levyjä. Pistehitsauksella päästään suuriin tuotantomääriin pienellä työntekijämäärällä ja se on helposti automatisoitavissa. Kuva 8. Eri tyyppisiä vastushitsauksessa käytettyjä muuntajaratkaisuja. Pistehitsauksen työvaiheet Pistehitsauksen työvaiheet etenevät seuraavasti: Elektrodit puristavat hitsattavat kappaleet yhteen, puristusvoima pienentää työkappaleiden välistä kontaktivastusta elektrodien välistä, jolloin hitsausvirta saadaan kulkemaan haluttua reittiä kappaleiden läpi. Hitsausvirta kytketään etupuristusajan päätyttyä. Hitsausvirta tuo liitoskohtaan lämpö- Kuva 9. Pistehitsi. Linssikoko (d), painuma (h), hitsin tunkeuma (t), levyjen välinen irtauma (X), diffusioliitosalue (Dc) ja HAZ (muutosvyöhyke) halkaisija (Dhaz). Kuva 7. Pistehitsauksen periaatekuva. määrän, joka synnyttää työkappaleiden väliin hitsisulan. Hitsausvirta kytkeytyy pois, kun hitsausvirran vaikutusaika päättyy. Puristusvoima vaikuttaa edelleen ja elektrodit jäähdyttävät hitsiä. Tämän jälkipuristusajan aikana hitsisulan on jähmetyttävä ja hitsin on saavutettava riittävä lujuus. Jälkipuristusajan päätyttyä elektrodit irrotetaan työkappaleesta ja yhden pistehitsin tuottamiseen kuluva kokonaishitsausaika päättyy, kuva 7. 13
Edellä on kuvattu tavallisen kylmävalssatun teräksen hitsaukseen soveltuvat työvaiheet. Vaikeimmin hitsattavilla materiaaleilla, kuten alumiinilla, pinnoitetuilla tai paksuilla teräslevyillä voidaan käyttää pulssitettua hitsausvirtaa, muuttaa puristuspainetta hitsausprosessin eri vaiheissa tai säätää hitsausvirran kasvu- ja laskunopeutta (slope-toiminto). Tällaiset erikoissäädöt eivät ole mahdollisia yksinkertaisimmilla pistehitsauskoneilla. Hitsauslinssin syntyminen Hitsin muodostuminen, koko ja kasvunopeus riippuvat käytetyistä hitsausparametreista. Kuvassa 10 on esitetty hitsauslinssin halkaisijan kasvu hitsausvirran funktiona. Kuvasta nähdään kuinka hitsauslinssi kasvaa aluksi erittäin nopeasti, jonka jälkeen kasvu tasaantuu. Käyrän lopussa hitsauslinssi kasvaa niin suureksi, etteivät elektrodit pysty pitämään hitsisulaa levyjen välissä. Tällöin hitsisula työntyy levyjen välistä ja syntyy roiske. Hyvällä pistehitsillä on riittävä halkaisija ja tunkeuma. Hitsauslinssin pienimpänä hyväksyttävänä halkaisijana pidetään lukuarvoa 3,5 t, missä t on työkappaleen paksuus. Alle tämän minimihalkaisijan hitseissä ei ole riittävää tunkeumaa, eikä hitsin koko riitä kantamaan arvioituja kuormia. Vajaakokoiset hitsit syntyvät lisäksi virta-alueella, missä hitsauslinssin koko kasvaa erittäin nopeasti. Pienet vaihtelut työkappaleen pinnanlaadussa, hitsausparametreissa tai elektrodien kuluminen vaikuttavat tällöin suuresti hitsin koon vaihteluun. Suositeltava hitsin halkaisija on 5 t. Tämä arvo saavutetaan yleensä hieman roiskerajan alapuolella. Tällöin hitsauslinssin kasvunopeus on tasaantunut ja pienet muutokset hitsausvirrassa tai työkappaleen pinnan ominaisuuksissa eivät merkittävästi muuta hitsin kokoa. Liian suurella lämmöntuonnilla hitsattaessa ylittyy roiskeraja. Hitsisulan roiskuessa liitoksesta, jää hitsiin usein suuria onkaloita, jolloin hitsin kuormaa kantava pinta-ala pienenee. Hitsisulan poistuminen liitoskohdasta aiheuttaa myös elektrodien suuremman painuman työkappaleiden pintaan. Painuma ohentaa liitettyjen materiaalien paksuutta hitsin reunalta, mikä edelleen heikentää hitsin ominaisuuksia. Pienimmän hyväksyttävän hitsin halkaisijan ja roiskerajan välistä aluetta kutsutaan hitsattavuusalueeksi. Tällä alueella tuotetut hitsit täyttävät yleisesti pistehitsille annetut vaatimukset. Hitsauslinssin syntymiselle ja kasvulle on neljä eri vaihetta: Kuva 10. Hitsauslinssin kasvukäyrä ja hitsattavuusalue. 1. Lämpötilan nousuvaihe, jolloin hitsisulaa ei ole vielä syntynyt. Puristusvoima ja kohonnut lämpötila saavat työkappaleen pinnan huiput tyssäytymään ja kontaktivastus laskee. Sinkkipinnoitetuilla materiaaleilla sinkki sulaa ja työntyy levyjen välistä tässä vaiheessa, ennen perusaineen sulamista. 14
Vastushitsausopas 2. Nopea hitsauslinssin kasvuvaihe. Hitsisula syntyy ja sulan halkaisija ja tunkeuma kasvavat nopeasti. Sulan metallin vastus on suurempi kuin kiinteän, kokonaisvastus kasvaa. 3. Tasaantuvan kasvun vaihe. Hitsin koon kasvu hidastuu merkittävästi. Hitsisulan kasvua hillitsevät elektrodien jäähdyttävä vaikutus ja sulan pinta-alan kasvu. 4. Roiske. Hitsisulan koko kasvaa niin suureksi, että elektrodien kärjet eivät puristusvoimallaan pysty pitämään sulaa levyjen välissä. Hitsisulaa poistuu merkittävästi hitsausliitoksesta. Pistehitsien mekaaniset ominaisuudet Pistehitsin kestämä vetolujuus riippuu hitsauslinssin halkaisijasta, hitsin tunkeumasta, työkappaleen paksuudesta ja lujuudesta, elektrodien painumasta sekä hitsin mahdollisesti sisältämistä virheistä ja haurastumisesta. Hitsattaessa hitsattavuusalueen rajojen sisällä, ja kun liitoksen lämpötasapaino on kunnossa, täyttävät hitsin halkaisija ja tunkeuma liitokselle asetetut lujuusvaatimukset. Hitsin tunkeuman on oltava 20-80 % työkappaleen paksuudesta. Hitsattavuusalue Hitsattavuusalue on se alue, jolla tietyllä hitsausvirran ja virta-ajan yhdistelmällä voidaan tuottaa hyväksyttäviä hitsejä. Hitsattavuusaluetta rajoittavat alin hyväksyttävä hitsin koko ja roiskeraja. Pistehitsauksessa hitsattavuusalue määritellään koordinaatistoon, jossa toisella akselilla on hitsausvirran vaikutusaika ja toisella hitsausvirta. Hitsattavuusalueen kokoon ja muotoon vaikuttavat käytetty puristuspaine, elektrodien kärjen muoto ja puhtaus, hitsattavan materiaalin koostumus ja paksuus. Hyvin hitsattavilla materiaaleilla hitsattavuusalue on laaja, jolloin hitsausarvot voidaan valita suuresta määrästä eri yhdistelmiä. Kylmävalssatulla ohutlevyllä on tyypillisesti laaja hitsattavuusalue. Tavanomaisilla hitsausvirran vaikutusajoilla hitsausvirran suuruus voi vaihdella välillä 1,0-2,0 ka. Teräksen seostus ja varsinkin paksut sinkkipinnoitteet kaventavat hitsattavuusaluetta. Tällöin hitsausarvojen hallinta korostuu hyvien pistehitsien valmistuksessa. Ruukin pinnoitettujen ja pinnoittamattomien ohutlevyjen suositeltuja hitsausarvoja on esitelty Liitteessä 1. Seuraavassa kuvassa 11. on esitetty puristusvoiman vaikutus materiaalin DC03-teräksen hitsattavuusalueisiin. Kuva 11. Puristusvoiman vaikutus hitsattavuusalueeseen, DC03. 15
Hitsausparametrien valintataulukko kylmävalssatuille Levyn paksuus t, mm Hitsin halkaisija D, mm Elektrodin kärjen Ø d, mm Puristusvoima F, kn Hitsausvirran vaikutusaika, jaksoa Hitsausvirta tehollinen I, ka Hitsien välinen pienin etäisyys d min Pienin sallittu limitys, mm d min 0,6 4 5 1,4 1,7 5 8 6 20 12 0,8 4 5 1,6 2,3 6 10 7 20 12 0,9 5 6 1,7 2,5 8 11 8 25 14 1,0 5 6 2,1 2,9 9 12 9 25 14 1,2 5 6 2,5 3,4 10 13 9,5 35 15 1,5 6 7 3,3 4,3 12 16 10 35 16 2,0 6 7 3,9 5,4 16 20 11 40 18 2,5 7 8 5,4 7,0 22 26 12,5 45 20 3,0 7 8 6,3 8,5 24 30 14 50 22 Sinkittyjen ohutlevyjen hitsausarvojen valintataulukko Levyn Elektrodin Kuumasinkitty ohutlevy, Z275 Kuumasinkitty ohutlevy, Z100 paksuus kärjen Ø Puristus- Virta-aika Hitsaus- Puristus- Virta-aika Hitsaust, mm d, mm voima, kn jaksoa virta, ka voima, kn jaksoa virta, ka 0,4 0,6 4 1,5 2,0 6 8 7 9 1,5 2,0 6 8 6 8 0,6 0,8 4 1,9 2,2 8 10 8 10 1,9 2,2 8 10 7 9 0.8 1,0 5 2,2 2,9 9 12 9 11 2,2 2,9 9 12 8 10 1,0 1,2 5 2,8 3,6 10 13 10 13 2,8 3,6 10 13 9 13 1,2 1,6 6 3,4 4,5 11 15 14 16 3,4 4,5 11 15 12 15 1,6 2,0 7 4,4 5,5 12 16 18 21 4,4 5,5 12 16 14 17 2,0 2,5 8 5,4 6,8 14 18 22 26 5,4 6,8 14 18 17 22 2,5 3,0 9 6,6 8,0 17 21 26 30 6,6 8,0 17 21 19 24 Hitsausarvojen valintataulukko kuumasinkityille ohutlevyille kahdella pinnoitteella, Z275 ja Z100. Hitsausvirran Slope-säätöä suositellaan pituus 2-4 jaksoa. Yksittäisen pistehitsin leikkauslujuus on laskettavissa seuraavasti: τ = 2,6 t d R m missä: τ = leikkauslujuus, N t = levyn paksuus, mm d = hitsin halkaisija, mm R m = materiaalin murtolujuus, MPa Pistehitsauksessa elektrodit painuvat aina jonkin verran työkappaleen pintaan. Kohtuullinen painuma varmistaa hitsin tiiveyden, mutta liian voimakas painuma ohentaa työkappaleen paksuutta hitsin reunalta niin, että hitsausliitoksen lujuus laskee. Painuman pitää olla alle 20 % työkappaleen paksuudesta, mielellään alle 10 %. Liialliseen painumaan johtavat elektrodien suuri puristusvoima, pitkä hitsausaika ja puutteellinen lämpötasapaino, jossa lämpöä syntyy erityisesti elektrodien ja työkappaleen kontaktipinnassa. 16
Vastushitsausopas Pistehitsissä kuormat keskittyvät hitsin ulkoreunalle, jolloin hitsin reunassa olevat säröt, hauraat faasit ja sulkeumat heikentävät mekaanisia ominaisuuksia. Puutteellisesta puristusvoiman käytöstä tai roiskeesta johtuvat onkalot syntyvät hitsin keskelle ja ne laskevat liitoksen lujuutta, mutteivät siinä määrin kuin hitsin reunalla olevat virheet. Paksut oksidikalvot, suojaöljykerrokset ja lika aiheuttavat hitsiin sulkeumia. Hitsattaessa suurella energian tuonnilla ja pitkillä hitsausvirran vaikutusajoilla on joillakin teräsohutlevyillä taipumusta irtautua toisistaan niin, että levyjen väliin jää useamman millimetrin rako. Työkappaleiden voimakas irtauma heikentää liitoksen mekaanisia ominaisuuksia. Irtauma ei saa olla yli 10 % työkappaleen paksuudesta. Irtautuminen esiintyy lähes poikkeuksetta yhdessä voimakkaan elektrodien painuman kanssa, jolloin painuman vaikutus liitoksen lujuuteen on huomattavasti merkittävämpi. Pistehitsauksessa hitsi jäähtyy erittäin nopeasti, mikä voi johtaa lujemmilla teräsohutlevyillä hitsin karkenemiseen. Karenneet mikrorakenteet ovat hauraita ja monasti martensiitin muodostuessa syntyy hitsiin myös mikrosäröjä. Nopeaa jäähtymistä edesauttaa työkappaleen pieni paksuus. Tehdyissä hitsauskokeissa Rautaruukin valmistamilla lujilla teräsohutlevyillä esiintyi hitseissä vähäistä haurastumista lyhyillä hitsausvirran vaikutusajoilla. Hitsausvirran vaikutusaikaa pidentämällä ja jälkipuristusaikaa lyhentämällä nämä ongelmat poistuivat. Täysin hauraat hitsit halkeavat kuormituksessa levyjen suuntaisesti, kun sitkeät hitsit pääsääntöisesti leikkautuvat toisesta levystä irti. Useimmiten lujilla teräksillä esiintyy näiden murtumistyyppien kombinaatio, jossa hitsi leikkaantuu osittain toisesta levystä irti ja sen reunoilla näkyy hauraasti lohjennut alue. Työkappaleiden paksuuden lisääntyessä myös sitkeiden hitsien taipumus murtua levyjen pinnan suuntaisesti lisääntyy. Tämä johtuu liitoksen geometriasta. Alle 1,5 mm paksujen ohutlevyjen hitsien pitäisi murtua leikkautumalla. Pistehitsien testaus ja laadunohjaus Pistehitsien kokoa ja mekaanisia ominaisuuksia on vaikea arvioida silmämääräisesti. Pistehitsin Kuva 12. Eri tavoin murtuneita hitsejä ja hitsien halkaisijan mittaus. koko on helpointa arvioida murtamalla liitos auki ja mittaamalla hitsin halkaisija. Yksinkertainen ja paljon käytetty rikkova tarkastusmenetelmä on aukirullauskoe (peel-test), kuva 13. Aukirullauskokeessa kahteen metallirainaan hitsataan peräjälkeen hitsejä, jonka jälkeen levyt revitään auki. Hitsien halkaisija mitataan edellisessä kohdassa kuvatulla tavalla. Aukirullauskokeella voidaan arvioida hitsattavan materiaalin hitsattavuusalue ja ideaaliset hitsausparametrit. Aukirullauskoe on helppo tehdä tuotanto-olosuhteissa eikä se tarvitse erityisiä laitehankintoja. Koetta on täydennettävä varsinaisen lopputuotteen rikkovilla tarkastuksilla. Tällöin työkappaleen geometrian ja koon vaikutus hitsausprosessiin tulee huomioiduksi. Avattujen hitsien murtopinnoista voidaan päätellä myös hitsin haurastumista ja mekaanisia ominaisuuksia. Yksinkertaisia rikkovia tarkastuksia voidaan täydentää vetokokeilla, joilla voidaan arvioida hitsien lujuutta. Vetokokeissa käytetään erityisiä levyistä valmistettuja vetokappaleita. Vetokokeet vaativat erityislaitteiston käyttöä. Kuvassa 14 on esitetty erilaisia vetokoekappaleita. Hitsien halkaisijat voidaan mitata myös rikkomattomilla tarkastuksilla. Näissä kokeissa käytetään yleensä ultraäänilaitteistoja. Ultraäänellä voidaan halkaisijan lisäksi arvioida joitakin hitsissä olevia 17
vikoja, mutta se ei korvaa täysin rikkovia kokeita. Ultraäänen käyttö tarkastuksissa vaatii oman laitteiston ja kokeneen käyttäjän. Hitsejä voidaan tarkastella myös mikroskoopilla, jolloin hitsistä on valmistettava hie. Tarkasteluun riittää hyvin 10-100 kertaa suurentava metallimikroskooppi, mutta hieen valmistus vaatii oman laitteistonsa. Mikroskoopilla voidaan havaita huokoset, ontelot, suuremmat säröt ja sulkeumat. Tuotanto-olosuhteissa kannattaa tehdä rutiininomaisia tarkastuksia laadun varmistamiseksi. Tarkastuksiksi riittävät tällöin silmämääräinen tarkastus ja aukirullauskoe. Tarkastuksia on tehtävä päivittäin kunkin työvuoron aikana, elektrodien huollon tai hitsausparametrien säädön jälkeen ja välittömästi, kun vaihdetaan hitsattavaa materiaalia tai huolletaan hitsauslaitteistoa. Tarkastukset tulisi suorittaa mahdollisimman usein valmiilla tuotteella. Sinkittyjen ohutlevyjen hitsaus vaatii tarkempaa parametrien hallintaa kuin kylmävalssatun teräksen hitsaus. Näin myös tuotteet ja laitteistot tulee tarkastaa useammin. Hitsien testaus kannattaa dokumentoida yhdessä käytettyjen hitsausparametrien ja muiden tuotantoon liittyvien kokemusten kanssa. Näin voidaan hakea tuotantoon sopivimmat hitsausparametrit, joilla voidaan minimoida tuotteissa esiintyvät viat. Elektrodien kulumista ja likaantumista voidaan vähentää sopivilla hitsausarvoilla, mutta oikeiden arvojen löytäminen edellyttää pidempiaikaista tuotannon ja tuotteiden seurantaa. Hitsausohjeessa on määriteltävä tärkeimpien hitsausparametrien ylä- ja alarajat, joita tuotannossa on seurattava. Kuva 13. Aukirullauskoe (peel-test). Kuva 14. Erilaisia vetokappaleita vastushitsatuille ohutlevyliitoksille, suora-, U- ja ristivetokappale. Sinkkipinnoitetun ohutlevyn pistehitsaus Sinkkipinnoitettujen ohutlevyjen pistehitsauksessa käytetään korkeampaa hitsausvirtaa ja pidempää hitsausvirran vaikutusaikaa kuin pinnoittamattomilla levyillä. Elektrodien kulumisen minimoimiseksi kannattaa käyttää lyhyttä virta- ja jälkipuristusaikaa. Tällöin kuuma sinkki on mahdollisimman lyhyen ajan kosketuksissa elektrodien kanssa. Erityistä huomiota on kiinnitettävä elektrodien tehokkaaseen jäähdytykseen ja kärkien huoltoon. Sinkkipinnoitteiden pistehitsaus vaatii laitteistolta tarkkaa virran ohjausyksikköä ja slope toiminnolla voidaan parantaa elektrodien kestoa ja parantaa hitsattavuutta. Pinnoitettujen levyjen hitsattavuusalue on kapeampi kuin pinnoittamattomilla. Sinkkipinnoitteen paksuus ja koostumus vaikuttavat merkittävästi hitsattavuuteen. Ohuilla pinnoitteilla hitsattavuusalue on laajempi ja virrantarve pienempi. Elektrodit kuluvat ja likaantuvat huomattavasti nopeammin hitsattaessa pinnoitettuja ohutlevyjä. Pienet pitoisuudet nikkeliä tai rautaa sinkkiin seostettuna vähentävät elektrodien kulumista. 18
Vastushitsausopas Sinkkipinnoite lisää hajavirtojen osuutta hitsausvirrasta. Pistehitsit joudutaan sijoittamaan etäämmälle toisistaan ja käyttämään osaltaan tästä syystä myös korkeampaa hitsausvirtaa. Muita pistehitsauksessa huomioitavia tekijöitä Elektrodien kohdistuksessa esiintyvät viat vaikuttavat merkittävästi hitsattavuusalueeseen ja hitsin ominaisuuksiin. Tasakärkisillä elektrodeilla kärjen tasaisuus ja kohtauskulma vaikuttavat puristuspaineen keskittymiseen, virrantiheyteen ja roiskerajaan. Elektrodien väärä kohtauskulma aiheuttaa hitsin epäsymmetriaa ja roiskeraja voi laskea merkittävästi. Näin hitsattavuusalue kaventuu ja hitsien mekaanisia ominaisuuksia laskevat puutteellinen hitsin halkaisija, tunkeuma ja elektrodien liiallinen painuma. Kohdistuksessa esiintyviä virheitä aiheuttavat elektrodien kärkien epätasainen kuluminen ja elektrodivarsien viallinen asennus tai kohdistus. Hajavirtojen (shunttivirrat) esiintyminen on erityisesti pistehitsauksen ongelma. Se tulee ottaa huomioon aina hitsausta ja tuotetta suunniteltaessa. Pistehitsauksessa hitsausvirta pyrkii kiertämään elektrodilta toiselle helpointa reittiä pitkin. Tällöin virta tavallisesti kiertää viereisen valmiin pistehitsin kautta ja vain osa hitsausvirrasta on käytettävissä liitoskohdassa. Hajavirtojen suuruus on helposti kymmeniä prosentteja hitsausvirrasta. Hajavirtojen vaikutusta vältetään hitsaamalla pisteet riittävän etäälle toisistaan. Ohjeellisia hitsausvirtoja esittelevässä taulukossa on annettu kahden pisteen minimietäisyydet. Hajavirrat voivat kiertää muidenkin sähköä johtavien kontaktien kautta. Esimerkiksi levyjen leikkauksesta jäänyt purse voi toimia johteena hajavirralle. Hajavirtojen suuruus riippuu työkappaleen paksuudesta, sähkönjohtavuudesta ja kontaktivastuksesta. Näiden tekijöiden lisääminen kasvattaa hajavirtojen osuutta hitsausvirrasta. 10. Käsnähitsaus Käsnähitsauksen edut Hitsausvirta keskittyy voimakkaasti ennen hitsisulan muodostumista käsnän kärkeen, jolloin voidaan hitsata erittäin laajalla parametrialueella. Hitsausvirran keskittyminen tekee käsnähitsauksesta muita vastushitsausmenetelmiä tehokkaamman energian käytössä. Käsnähitsauksella voidaan liittää keskenään hyvinkin eripaksuisia kappaleita (suhde 6:1, jopa suurempi). Kuva 16. Käsnähitsauksen periaatekuva. Käsnähitsauksessa puristusvoima ja hitsausvirta keskitetään hitsausliitokseen työkappaleeseen ennalta tehtyjen käsnien avulla. Käsnät valmistetaan yleensä muun muovaavan työstön yhteydessä ja ne voivat olla eri muotoisia (pyörö-, pitkittäis-, rengaskäsniä jne.). Käsnähitsaus sopii hyvin pinnoitettujen ohutlevyjen hitsaukseen. Kuva 15. Hajavirtojen kulkureittejä pistehitsauksessa. 19
Käsnähitsauksella voidaan hitsata useita hitsejä samanaikaisesti ja ne voidaan sijoittaa hyvinkin lähelle toisiaan ilman hajavirtojen haitallista vaikutusta. Käsnähitsauselektrodi on laaja tasopinta, jonka on peitettävä kaikki samanaikaisesti hitsattavat käsnät. Elektrodin kontaktipinta työkappaleeseen on näin suuri ja virrantiheys pieni, mistä seuraa huomattavia etuja. Kontaktipinta ei kuumene kuten muissa vastushitsausmenetelmissä, elektrodit eivät jätä jälkiä työkappaleeseen ja ne eivät likaannu, tyssäydy tai reagoi pinnoitteiden kanssa. Edellä kuvatut ominaisuudet tekevät käsnähitsauksesta erityisen käyttökelpoisen sinkittyjen ohutlevyjen liittämisessä. Elektrodit kestävät kauemmin, hajavirrat eivät aiheuta ongelmia ja hitsaus on laajemman parametrialueen johdosta helpommin hallittavissa. Elektrodi joudutaan usein valmistamaan kutakin käyttökohdetta varten erikseen, johtuen käsnien vaihtelevasta määrästä ja työkappleen muodosta. Käsnähitsauksessa käytetään samanlaisia hitsauslaitteita ja sen työvaiheet ovat samat kuin pistehitsauksessa. Käsnähitsausta suositellaan erityisesti työkappaleille, joihin voidaan valmistaa käsnät muun muovaavan työstön yhteydessä. Erillisenä työvaiheena käsnien valmistus ei ole kannattavaa kuin erikoissovelluksissa. Käsnähitsauksessa hitsi syntyy seuraavasti: Kontaktipinta syntyy työkappaleiden välille käsnän kärkeen, kun puristusvoima painaa työkappaleita vastakkain. Hitsausvirran kytkeydyttyä käsnä ja kontaktipinta kuumenevat ja käsnä tyssäytyy. Kontaktipinta-ala kasvaa ja lämpöä syntyy entistä suuremmalla alueella. Hitsisulan muodostuttua käsnä on täysin sulanut ja tyssäytynyt. Hitsausvirran syötön jälkeen alkaa jälkipuristusjakso, jolla on sama tarkoitus kuin pistehitsauksessa. Kuva 17. Käsnän valmistus, pistin ja tyyny. Pyörökäsnän valmistuksessa käytettäviä mittoja Käsnän halkaisija mm Levyn paksuus mm h mm D mm d mm 2,0 0,4 0,5 0,5 2,0 0,63 2,5 0,5 0,6 0,63 2,5 0,8 3,2 0,6 1,0 0,8 3,2 1,0 4,0 1,0 1,6 1,0 4,0 1,25 5,0 1,6 2,5 1,25 5,0 1,6 6,3 2,5 3,0 1,6 6,3 2,0 Erityisesti on huomioitava sopivan puristusvoiman käyttö hitsausprosessin alkuvaiheessa. Liiallinen puristusvoima painaa käsnän kasaan ennen hitsisulan syntyä ja kontaktipinta kasvaa pienentäen virrantiheyttä. Työkappaleen materiaalin lujuusvaihtelut voivat vaikeuttaa hitsausta. Käsnistä tulee erikokoisia ja ne tyssäytyvät hitsattaessa eritavoin. Ongelmia saattaa esiintyä liitoksen lämpötasapainossa tai käsnien painumisessa hitsattaessa useampia käsniä samanaikaisesti. Niitä voidaan vähentää lisäämällä käsnien välistä etäisyyttä. Suositeltu etäisyys on neljä kertaa käsnän halkaisija. Sinkkipinnoitetun ohutlevyn käsnähitsaus Käsnähitsaus on paras hitsausmenetelmä sinkkipinnoitettujen ohutlevyjen liittämiseen. Sinkin tarttuminen laajapintaisiin elektrodeihin on vähäistä. 20