1 C.2 Muut perusaineet kuin seostamaton teräs C.2.1 Seosteräkset ja ruostumattomat teräkset Seosteräkset Valitaan esimerkkinä seosteräs analyysillä 0,2% C, 1,5% Mn ja 0,5% Mo. Sulamisvyöhykkeessä syntyy eri jäähtymisnopeuksilla alla olevan taulukon mukaisia rakenteita. Mikrorakenne Jäähtymisnopeus Kovuus lämpötilasta 800-500 C Martensiitti 200 C/ sekunnissa 500 HV Bainiitti 60 C/ sekunnissa 300 HV Ferriitti + Perliitti 10 C/ sekunnissa 200 HV Kun kovuudet ylittävät 350 HV muodostuu helposti halkeamia, erityisesti jos hitsaus tapahtuu runsasvetyisillä puikoilla, esimerkiksi rutiilipäällysteisillä tai kostuneilla puikoilla. Näitä halkeamia kutsutaan kylmä- eli vetyhalkeamiksi. Seosaineet, jotka lähinnä vaikuttavat teräksen karkenevuuteen (karkenemissyvyyteen), ovat mangaani (Mn), nikkeli (Ni), kromi (Cr), molybdeeni (Mo) ja vanadiini (V). Hiilipitoisuus sen sijaan vaikuttaa muodostuvan martensiitin kovuuteen siten, että hiilipitoisuuden kasvaessa kovuus kasvaa. Toinen esimerkki syntyvistä kovuuksista ja rakenteista eri jäähtymisnopeuksilla esitetään alla olevassa taulukossa, kun seosteräksen analyysillä on 0,4% C, 0,8% Mn ja 0,2% Mo. Mikrorakenne Jäähtymisnopeus Kovuus lämpötilasta 800-500 C Martensiitti 10 C/ sekunnissa 650 HV Bainiitti 5 C/ sekunnissa 600 HV Ferriitti + Perliitti 0,5 C/ sekunnissa 350 HV Suhteellisen pienet muutokset teräksen analyysissä aiheuttavat suuria eroja syntyviin kovuuksiin. Mitkä teräkset ovat sitten alttiita vety- eli kylmähalkeamille? Halkeama-altiita ovat ensi sijassa seostamattomat rakenneteräkset, joiden hiilipitoisuus ylittää n. 0,2-0,3% sekä kaikki karkaistavat teräkset esimerkiksi nuorrutusteräkset, induktiokarkaistavat teräkset, liekkikarkaistavat teräkset, jousiteräkset, kuulalaakeriteräkset ja työkaluteräkset. Kuinka vetyhalkeamia vältetään? 1. Perusaineen esikuumennuksella ja pitämällä työlämpötilaa vähintään tässä lämpötilassa hitsauksen aikana. Hitsauksen jälkeen kappaleiden tulee jäähtyä niin hitaasti, ettei sulamisvyöhykkeessä tapahdu karkenemista eli kovenemista.
2 Kuvassa alapuolella näytetään lämpötilan muuttuminen ajan kuluessa muutosvyöhykkeessä esilämmityksellä ja esilämmityksettä. 2. Valitsemalla niukkavetyinen hitsauspuikko, joka ei luovuta vetyä perusaineeseen, esikuumennuslämpötilaa voidaan alentaa eli käyttää matalampaa esikuumennuslämpötilaa. Vaadittava työlämpötila (esikuumennuslämpötila) Teräksille voidaan seuraavia ohjearvoja soveltaa: Teräslaji Työlämpötila c (esikuumennuslämpötila t) Seostamaton teräs 0,3-0,4% C 100-200 > 0,4% C 250 Seosteräs < 0,3% C 150-200 > 0,3% C 200-250 Ruostumaton teräs 13% kromia 200-300 Tarvittavan esikuumennuslämpötilan määrittämiseksi ja siten halkeamien välttämiseksi hitsattaessa seosteräksiä on käytettävissä useita mahdollisia menetelmiä, mutta mitään yleistä, käyttökelpoista menetelmää ei kuitenkaan ole olemassa. Koska ei ole olemassa mitään varmaa käyttökelpoista menetelmää käytettäväksi tässä monimutkaisessa kysymyksessä, niin esitetään tässä joitakin yleisiä ohjeita asian ratkaisun löytämisen helpottamiseksi: Esikuumennusta suositellaan jos: Teräksen lujuusarvot ovat suuret (murtolujuus > 600 N/mm 2 ) Teräksen hiilipitoisuus ylittää 0,25% Mangaanipitoisuus on suurempi kuin 1,5% Teräs sisältää seosaineita kuten esimerkiksi Cr, Ni, Mo tai W, mutta ei ole austeniittinen mikrorakenteeltaan Aineenpaksuus on suuri Teräs on hauras huoneen lämpötilassa Sopiva esikuumennuslämpötila seosteräksille on tavallisesti lämpötila-alueella 200-350 C.
3 Ruostumattomat teräkset Ruostumattomat teräkset jaetaan seuraaviin pääryhmiin; austeniittisiin, ferriittisiin, austeniitisferriittisiin ja martensiittisiin ruostumattomiin teräksiin. Ruostumattomien terästen pääryhmät ja esimerkit esitetään alla olevassa taulukossa. Ryhmä Tyypilliset analyysit EN-teräksille Merkintä C % Cr % Ni % Mo% Muut ASTMmerkintä Austeniittiset 0,04 18,1 8,3 304 EN-merkintä (EN 10088-1) X5CrNi18-10 1.4301 0,04 16,9 10,7 2,6 316 X3CrNiMo17-13-3 1.4436 0,02 18,2 13,7 3,1 317L X2CrNiMo18-15-4 1.4438 0,02 17,8 12,7 4,1 0.14N 317LMN X2CrNiMoN17-13-5 1.4439 Ferriittiset 0,025 11,5 0.2Ti 409 X2CrTi12 1.4512 0,04 16,5 430 X6Cr17 1.4016 0,025 11,5 0,6 X2CrNi12 1.4003 Austeniittisferriittiset 0,02 0,02 23 22 4,8 5,7 3,1 0.10N 0.17N X2CrNiN23-4 X2CrNiMoN22-5-3 1.4362 1.4462 Martensiittiset 0,15 12 410 X12Cr13 1.4006 0,03 16 5 1 X4CrNiMo16-5-1 1.4418 Austeniittiset ruostumattomat teräkset ovat tänä päivänä eniten käytettyjä. Austeniittiset teräkset sisältävät runsaasti kromia (Cr n. 18%) ja nikkeliä (Ni n. 9%) sekä niukasti hiiltä. Austeniittinen mikrorakenne tekee näistä teräksistä hyvin hitsattavia ja muovattavia. Syy ruostumattomien terästen hyvään korroosionkestävyyteen on se, että hapettavassa ympäristössä niiden pintaan muodostuu ohut ja tiivis oksidikalvo. Tämän kalvon saa aikaan kromi yhdessä hapen kanssa. Kromi on siis tärkein seosaine ja kromipitoisuuden pitää olla vähintään 10,5%. Huolimatta ruostumattomien terästen niukasta hiilipitoisuudesta se on kuitenkin riittävän suuri, että suuri osa hiilestä muodostaa kromikarbideja raerajoille hehkutettaessa 500-900 C:n lämpötilassa. Tästä seuraa korroosiokestävyyden heikkeneminen. Austeniittiset ruostumattomat teräkset toimitetaan tavallisesti liuotushehkutetussa tilassa eli hehkutus lämpötiloissa 1000-1100 C ja nopea jäähdytys sen jälkeen raerajakarbidien syntymisen ehkäisemiseksi.
4 Fysikaaliset erot ruostumattomien ja seostamattomien terästen välillä Lämmönjohtavuus on ruostumattomilla teräksillä noin puolet seostamattomien terästen arvoista. Lämpö säilyy sen vuoksi hitsin ympäristössä pitempään kuin seostamattomien terästen hitseissä. Austeniittisten terästen lämpölaajenemiskerroin on noin 50% suurempi kuin seostamattomilla teräksillä, ja sähköinen ominaisvastus ruostumattomilla teräksillä on noin 4-7 kertaa suurempi kuin seostamattomilla teräksillä. Tästä seuraa, että ruostumattomat puikot kuumenevat helposti punahehkuun, minkä vuoksi ne yleensä valmistetaan lyhyemmiksi kuin seostamattomat puikot. Austeniittisilla teräksillä on kriittinen lämpötila-alue n. 600-900 C, koska kromikarbidit erkautuvat tässä lämpötilassa raerajoille heikentäen korroosiokestävyyttä. Matala hiilipitoisuus on edullinen, koska kromikarbidien syntymisen riski pienenee tällöin. Ruostumattomia teräksiä hitsattaessa lämmöntuonti on pyrittävä pitämään niin matalana kuin mahdollista. Ruostumattomien terästen ominaisuuksia ja hitsattavuus Austeniittiset teräkset Austeniittisia teräksiä käytetään usein kosteissa ympäristöissä alkaen 17Cr7Ni-tyyppisistä aina 27Cr31Ni4Mo-tyyppisiin tai käytetään vielä korkeammin seostettuja laatuja. Kasvavat kromi- ja molybdeenipitoisuudet tekevät teräksistä kestävämpiä yhä aggressiivisempia liuoksia vastaan. Tämä koskee yleistä korroosiota, rakokorroosiota ja pistekorroosiota. Piste- ja rakokorroosion vastustuskyky on tärkeää, koska teräksiä käytetään usein kloridipitoisissa ympäristöissä. Käyttö merivesissä tai selluteollisuudessa on tavallista. Austeniittisten terästen hitsattavuus on erittäin hyvä, koska muutosvyöhyke ei haurastu kuten esimerkiksi ferriittisilla teräksillä. Yleisesti ottaen tulee lämmöntuonti pitää matalana erityisesti korkeasti seostettujen austeniittisten terästen osalta. Peukalosääntönä voidaan pitää, että lämmöntuonti ei saa ylittää 1,0 kj/mm ja välipalkolämpötila saa olla korkeintaan 150 C. Suuremmat hiilipitoisuudet austeniittisissa teräksissä kuten X8CrNi1810 tai X5CrNi1810 aiheuttavat raerajakarbidien muodostumista muutosvyöhykkeelle, joka voi aiheuttaa korroosioriskin (herkistyminen) perusaineessa muutosvyöhykkeellä erityisesti happamissa ympäristöissä. Tämän ehkäisemiseksi on niukkahiilisiä laatuja kehitetty. Toinen tapa ratkaista tämä ongelma on seostaa teräkseen (stabiloida) niobia (Nb) tai titaania (Ti), jotka yhtyvät hiileen kromia nopeammin ja siten ehkäisevät kromikarbidien syntymisen raerajoille.
5 Uudet runsaasti seostetut austeniittiset teräkset kosteisiin, korroosioalttiisiin ympäristöihin ovat lähes poikkeuksetta niukkahiilisiä < 0,025%. Lisäaineet austeniittisille teräksille ovat periaatteessa perusainetta vastaavia, vaikka myös yliseosteisia käytetään. Lisäaine antaa tavallisesti 5-10% ferriittipitoisuuden hitsiin. Tällä varmistetaan ferriitin esiintyminen hitsissä, mikä estää kuumahalkeaman syntymistä. Korkeasti seostetut austeniittiset lisäaineet ovat myös herkkiä uudelleen kuumennukselle, mikä edelleen painottaa lämmöntuonnin minimointia monipalkohitsauksessa. Ferriittiset teräkset Ferriittisiä ruostumattomia teräksiä käytetään lähinnä kosteissa käyttökohteissa. Austeniittisiin ruostumattomiin teräksiin verrattuna ferriitiset ruostumattomat teräkset ovat selvästi parempia jännityskorroosiota vastaan. Ferriittisia ruostumattomia teräksiä voidaan myös käyttää korkeissa lämpötiloissa. Koska niistä puuttuu nikkeli, ne kestävät myös hyvin rikkipitoisia pelkistäviä pakokaasuja. Teräksen taipumuksella muodostaa hauraita sigmafaaseja on korkealämpötila sovellutuksissa vähemmän merkitystä. Ferriittisten terästen hitsattavuus on parempi kuin martensiittisten terästen mutta huonompi kuin austeniitisten johtuen ferriitin hauraudesta ja muutosvyöhykkeellä mahdollisesti tapahtuvasta rakeiden kasvusta. Teräs pitää hitsata niin kylmänä kuin mahdollista ja prosesseja, jotka käyttävät suurta kaarienergiaa, täytyy välttää. Täytyy kuitenkin tehdä ero vanhempien terästyyppien kuten X6Cr17, jotka täytyy hitsata korotetussa työlämpötilassa (100-300 C) ja uudempien niukkahiilisten terästyyppien eli ELI-terästen (E=erittäin/extra, L=niukka/low, I = välisija-aine/interstial) kuten esimerkiksi X2CrNiMoTi 18-2, jotka eivät vaadi korotettua lämpötilaa. Riittää että ollaan tarkkana energian käytön suhteen ja pidetään se niin matalana kuin mahdollista. Austeniittisia lisäaineita käytetään usein, koska ferriittisiin lisäaineisiin syntyy hyvin karkea kiteisiä rakeita ja niistä siten tulee hauraita. Ainoastaan silloin, kun pelkistävä rikkipitoinen ympäristö vaatii käytettäväksi ferriittisiä lisäaineita, niitä pitää käyttää. Hitsattaessa X2CrNiMoTi18-2 käytetään usein lisäaineena 23Cr/12Ni/2Mo ja hitsattaessa X16Cr26 on 29Cr/9Ni sopiva. Ferriittis-austeniittiset teräkset (duplex-teräkset) Ferriittis-austeniittiset teräkset ovat hyvin nopeasti kasvava teräsryhmä, jota alettiin tosissaan valmistaa 1970-luvun puolivälissä. Ferriittis-austeniittissa teräksissä on pyritty hyödyntämään sekä ferriittisten että austeniitisten terästen hyvät ominaisuudet. Kaksifaasirakenne on syynä pieneen raekokoon, jotka yhdessä ferriitipitoisuuden ja typpiseostuksen kanssa antavat teräkselle lähes kaksi kertaa niin suuren lujuuden kuin mitä on austeniittisilla teräksillä. Hyvä jännityskorroosion ja pistekorroosion vastustuskyky, joka on yhtä hyvä kuin runsaasti seostetuilla austeniittisilla teräksillä, edellä esitettyyn lisättynä selittävät, miksi näiden terästen käyttö on nopeasti lisääntynyt. Näistä voidaan siis rakentaa kevyempia rakenteita korroosioalttiisiin kohteisiin hyvien lujuusarvojen johdosta.
6 Hitsattaessa nykyaikaisia duplex-teräksiä on kaksi asiaa, jotka pitää ottaa huomioon. Jos hitsataan erityisen pienellä lämpömäärällä, niin saadaan liian korkea ferriittipitoisuus muutosvyöhykkeeseen ja hitsiin. Koska ferriitillä on huono kyky liuottaa typpeä, muodostuu myös helposti krominitridejä. Jos taas hitsataan liian suurilla lämmöntuonneilla, josta seuraa korkeat välipalkolämpötilat, niin muodostuu välifaaseja lähinnä sigmafaasia austeniitin/ferriitirakeiden raerajoille, josta seuraavat alentuneet lujuus- sekä korroosioarvot. Suurilla aineenpaksuuksilla on ongelma pahimmillaan. Vähän seostetuilla duplexteräslaaduilla kuten X2CrNiMoN22-5-3 (ja pienemmillä) ovat kuitenkin hyvät marginaalit ennen kuin tämä tapahtuu. Hitsausenergioiden voidaan sallia kohota aina 2,5 kj/mm ja tietyissä tapauksissa jopa yli tämän sekä välipalkolämpötilojen aina 250 C. Superduplex-teräksillä kuten X2CrNiMoN25-7-4 sen sijaan pitää lämmöntuonti olla korkeintaan 1,5 kj/mm ja välipalkolämpötila ei saa ylittää 150 C. Nämä ovat tosin marginaaleja, joissa normaalisti suoritettu hitsaus hyvin pysyy. Martensiittiset teräkset Martensiittisilla teräksillä on suurimmat lujuusarvot, mutta myös heikoin korroosiokestävyys. Terästä käytetään käyttökohteissa, jossa korroosio ja kuluminen tapahtuvat samanaikaisesti kuten esimerkiksi vesiturbiineissa, pyörissä tankovalulaitteissa yms. Hitsattaessa ei edes kuumana pitäminen auta estämään martensiitin syntymistä, mutta kuumana pitäminen lähellä martensiitin syntymisen lämpötilaa auttaa muutosvyöhykettä pysymään austeniittisena ja sitkeänä koko hitsauksen ajan. Rakenteen muutos tapahtuu samanaikaisesti martensiitiksi hitsauksen päättymisen jälkeen. Martensiitti pitää sen jälkeen päästää ja hitsausjännityksiä pienentää, jotta haurasmurtumaa ei pääsisi tapahtumaan. Hehkutus tehdään heti hitsauksen jälkeen lämpötilassa 650-800 C. Hitsien tulee kuitenkin jäähtyä n. 150 C hitsauksen jälkeen ennen kuin hehkutus voidaan suorittaa edellä esitetyssä lämpötilassa. Sitkeiden hitsien aikaansaamiseksi martensiittiset teräkset hitsataan usein austeniittisilla lisäaineilla kuten esimerkiksi 19Cr/12Ni/3Mo tyyppisillä. Nämä luovuttavat vähemmän vetyä muutosvyöhykkeeseen, mistä seuraa että esimerkiksi erikoiskuivattuja emäksisiä puikkoja ei tarvitse käyttää. Hitsit saavat kuitenkin pienemmät lujuusarvot, mikä useimmissa tapauksissa voidaan hyväksyä. Martensiittiset teräkset eivät ole varsinaisesti tarkoitettu hitsattaviksi. C.2.2 Alumiini ja alumiiniseokset Alumiini on ei-rautametalli, joka valmistetaan bauksiitista kahdessa vaiheessa: 1. Bauksiitista erotetaan alumiinioksidi 2. Alumiinioksidista valmistetaan alumiini. Kahdesta tonnista bauksiittia saadaan noin 1 tonni alumiinioksidia. 25% maailman alumiinituotannosta valmistetaan romusta (alumiinin uudelleen sulatus). Bauksiitti on punertava, rapautumisen tuloksena syntynyt kivilaji, mikä sisältää n. 25-30% alumiinia, raaka-aineessa on myös rautaa ja piitä. Bauksiittia on Australiassa, Brasiliassa ja Jamaikalla.
7 Alumiinin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet kevyt - matala tiheys 2,7 g/cm 3 luja - murtolujuus aina 700 N/mm 2 asti korroosiokestävä - ohut oksidikalvo suojaa johde - hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus helppo työstää pintakäsiteltävissä hitsattavissa - katso hitsaus hehkutettavissa - katso hehkutus kierrätettävä - on melkein häviämätön Alumiinit jaetaan kolmeen pääryhmään: puhdas alumiini, ei-lämpökäsiteltävät (karkenemattomat) alumiiniseokset ja lämpökäsiteltävät (karkenevat) alumiiniseokset. Seosaineet Alumiinia seostetaan usein, koska puhdas alumiini on pehmeää. Puhdas alumiini sisältää 99,7, 99,5 tai 99,0% Al. Ei-lämpökäsiteltävät seokset sisältävät pieniä määriä Mn tai Mg. Lämpökäsiteltävät seokset sisältävät sen sijaan Cu, Mg + Si tai Zn + Mg. Kylmämuokkaamalla saadaan puhdas alumiini ja ei-lämpökäsiteltävät alumiinit lujittumaan. Lämpökäsiteltävät seokset saadaan lujemmiksi liuotushehkutuksella ja vanhennuksella. Alumiinin ryhmittely Raportin CR ISO 15608 mukaan alumiini ja sen seokset on jaoteltu ryhmiin ja alaryhmiin alla olevan taulukon mukaisesti. Ryhmä Alaryhmä Alumiinilajit 21 Puhdas alumiini, jossa on epäpuhtauksia tai seosaineita 1 % 22 Ei-lämpökäsiteltävät seokset 22.1 Alumiini-mangaaniseokset 22.2 Alumiini-magnesiumseokset, joissa Mg 1,5 % 22.3 Alumiini-magnesiumseokset, joissa1,5% Mg 3,5 % 22.4 Alumiini-magnesiumseokset, joissa Mg > 3,5 % 23 Lämpökäsiteltävät seokset 23.1 Alumiini-magnesium-piiseokset 23.2 Alumiini-sinkki-magnesiumseokset 24 Alumiini-piiseokset, joissa Cu 1 % 24.1 Alumiini-piiseokset, joissa Cu 1 % ja 5 % < Si 15 % 24.2 Alumiini-pii-magnesiumseokset, joissa Cu 1 % ; 5 % < Si 15 % ja 0,1 % < Mg 0,80 % 25 Alumiini-pii-kupariseokset, joissa 5,0 % < Si 14,0 % ; 1,0 % < Cu 5,0 % ja Mg 0,8 % 26 Alumiini-kupariseokset, joissa 2 % < Cu 6 % Ryhmät 21 23 ovat yleensä muokatuille materiaaleille ja ryhmät 24 26 yleensä valetulle materiaaleille.
8 Alumiinin hitsaus Alumiinin hitsaus voi olla hieman hankalaa muodostuvan oksidikalvon takia. Tärkeitä asioita mietittäväksi ovat alla esitetyt seikat, koska metalli helposti reagoi hapen kanssa. oksidi sitkeää ja kovaa - aiheuttaa helposti hitsausvirheitä oksidi ei sula hitsauksessa - sulamispiste n. 2050 C oksidi vajoaa sulaa - muodostaa sulkeumia Alumiinin hitsaus ei ole vaikeampaa kuin teräksen vain erilaista Railon puhdistus Alumiinin puhdistaminen on erittäin tärkeää ennen hitsausta. Oksidikalvon poistaminen on pääsyy, mutta myös rasvan, leikkuujätteiden yms. poistaminen on tärkeää. Terävät reunat leikkauksen jälkeen on poistettava ja pyöristettävä. Tämä sen takia, että vältyttäisiin muun muassa juurivirheiltä jne valmiissa hitsissä. Hitsausongelmat Ongelmat, jotka kohdataan alumiinia hitsattaessa, johtuvat suurimmaksi osaksi alumiinin erityisominaisuuksista kuten: suuri lämmönjohtokyky (4xteräksen) suuri lämpölaajenemiskerroin suuret lämpömäärät suuret muodonmuutokset (2x seostamattoman teräksen) Useimpien vaikeuksien välttämiseksi voidaan: käyttää kiinnittimiä silloitusta
9 Kutistumat Kaikilla sulahitsausmenetelmillä tapahtuu rakenteen kutistumista. Kutistuminen on seurausta sulan tilavuuden pienenemisestä yhdessä lämmenneen materiaalin supistumisesta. Tulokseksi saadaan paikallisia muodonmuutoksia. jotka ovat suurempia alumiininhitsauksessa kuin teräksen hitsauksessa. Hitsaus - kutistuma muodonmuutos Tekijät, jotka määräävät kutistumisjännitysten suuruuden, ovat materiaalipaksuus, hitsausprosessi, hitsin valmistus ja tuotu lämpömäärä. Ongelmaa pienennetään materiaalin lisäyksellä ja hitsauskiinnittimien käytöllä. Hyvin suunniteltu hitsaussuunnitelma antaa myös hyvän tuloksen. Hitsattavuus Useimmat seokset voidaan hitsata. Hyvin hitsattaviin lasketaan: seostamattomat alumiinit (kaikki laadut) karkenemattomat seokset (useimmat) karkenevat seokset (tietyt laadut) Rajoitetuksi hitsattavaksi katsotaan kuuluviksi: karkenemattomat seokset (tietyt korkean Mg-pitoisuuden omaavat seokset) karkenevat seokset (Cu- ja Pb-pitoiset seokset) Hitsausprosessit Tavallisimmat hitsausprosessit alumiinin hitsauksessa ovat MIG- ja TIG-hitsaus. TIG-hitsausta käytetään ohuille materiaaleille (< 9mm) yksipuolisessa hitsauksessa ja kun halutaan hyvä pinnanlaatu. MIG-hitsausta käytetään paksummille materiaaleille (> 3mm), kun vaaditaan suurta hitsausnopeutta ja muodonmuutosten pienentämiseksi. (matala HI) MIG-hitsaus pulssitetulla valokaarella antaa paremman sulan hallinnan (ohuet materiaalit 1,5 mm), vakaamman valokaaren ja huomattavasti vähemmän hitsausroiskeita. Puikkohitsausta käytetään joskus, esim. korjaushitsauksissa, mutta se on sopimaton, jos rakenteeseen kohdistuu kuormitusta. Suojakaasut Suojakaasujen alumiinin hitsauksessa tulee olla inertteja ( ei aktiivisia). Eniten käytetty Suomessa on argon, mikä aiheuttaa vähemmän roiskeita kuin helium, jolla saadaan kuumempi valokaari ja syvempi tunkeuma. Suurilla tunkeumavaatimuksilla ( esimerkiksi pienahitseissä) käytetään argonin ja heliumin seosta.
10 Lisäaineet Lisäaineena käytetään seostamattomilla ja karkenemattomilla seoksilla tavallisesti perusainetta vastaavaa lisäainetta. Karkenevilla seoksilla käytetään lisäaineena paljon piitä tai mangaania sisältäviä lisäaineita. Niiden tehtävä on ehkäistä kuumahalkeilua. Juottaminen Alumiinia voidaan kovajuottaa kaasuliekillä juotteella ja juoksutteella tai automatisoidulla juottamismenetelmällä esimerkiksi tyhjiöjuottaminen ilman juoksutetta. Tuotteet ja käyttökohteet Alumiinia valmistetaan levyinä, nauhoina, profiileina ja harkkoina valukappaleiden valmistusta varten. Alumiinia käytetään kaikilla ajateltavissa olevilla käyttöalueilla folioista kotitalouskäyttöön ja avaruuskapseleihin. Suurimmat käyttökohteet ovat rakennuslevyt, sähkölaitelaatikot, sähköjohdot, moottorit, vaihdelaatikot, veneet, matkustaja-alukset, porauslauttojen helikopterikannet, kaasuturbiinikotelot ja virvoitusjuomatölkit. Lisäaineen valintasuositukset eri alumiinilaatujen hitsauksessa Ota selvää laatumerkinnöistä, mitä aiot hitsata. Osoita perusaine 1:n kohdalla oikeaa ruutua. Seuraa ruutuja oikealle kunnes olet perusaine 2 kohdalla oikean aineen ruudussa. Näiden leikkauskohdassa löydät suositeltavan lisäaineen. Ota huomioon että eri lisäaineet voivat antaa erilaisia ominaisuuksia hitsiin kuten esimerkiksi halkeamattomuuden, korroosiokestävyyden, lujuuden, hitsattavuuden ja anodisoinnissa saatavan värisopivuuden. Lisäainetyyppi OK Autrod/Tigrod S-Al99,5 18.01 S-Al99,5Ti 18.11 S-AlSi5 18.04 - voidaan korvata lisä- S-AlMg3 18.13 aineilla S-AlMg4,5Mn ja S- 18.15 AlMg4,5MnZr S-AlMg4,5Mn 18.16 - S-AlMg4,5Mn voidaan korvata S-AlMg4,5MnZr 18.17 lisäaineella S- AlMg4,5MnZr. Perusaine 1 Al99,9 S-Al99,8 Al99,8 Al99,7 Al99,5 Al99,0 SS-Al99,5Ti S-Al99,5 S-Al99,5Ti S-Al99,5 AlMn S-Al99,5Ti Al99,5Ti S-AlMn S-AlMn S-AlMn AlMg1 AlMg2 S-AlMn S-AlMn S-AlMn S-AlMn AlMg3 S-AlMg3 AlMg5 S-AlMg3 S-AlMn AlMgMn S-AlMg3 S-AlMg3 S-AlMg3 AlMg4,5Mn S-AlMg3 S-AlMg3 S-AlMg4,5Mn AlMgSio,5 AlMgSi1 S-AlSi5 S-AlSi5 S-AlSi5 AlZnMg1 S- AlMg5 S-AlMg4,5Mn S-AlMg4,5Mn Perusaine 2 Al99,9 Al99,8 Al99,7 Al99,5 Al99,0 AlMn AlMg1 AlMg2 AlMg3 AlMg5 AlMgMn AlMg4,5Mn AlMgSio,5 AlMgSi1 AlZnMg1 Taulukko lisäaineista (Esabin luettelosta)
11 C.2.3 Kupari ja kupariseokset Kupari louhitaan kuparimalmista, jossa kuparipitoisuus nousee vain noin 0,8%. Perinteisten käsittely- ja rikastusprosessien avulla on kuitenkin kannattavaa erottaa kupari malmista. Malmi sisältää myös lyijyä, sinkkiä, rikkiä, kultaa, hopeaa, platinaa, seleeniä ja arsenikkia. Kupari on väriltään punertavan ruskeaa ja se on sitkeää ja pehmeää. On olemassa kaksi menetelmää valmistaa (puhdistaa) kuparia. Toinen on liekkipuhdistusmenetelmä ja toinen elektrolyyttisesti puhdistettu kupari, joka on puhtaampaa kuparia. Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet - Kuparilla on suuri tiheys 8,9 g/cm 3. - kuparilla on pieni murtolujuus - Kuparilla on hyvä syöpymiskestävyys - Kuparilla on erittäin hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus - Kuparia on helppo muokata kaikissa lämpötiloissa - Juottaminen soveltuu erittäin hyvin kuparille Kuparit on tapana jakaa neljään eri ryhmään: happikupari hapeton kupari deoksidoitu (fosforoitu) kupari seostetut kuparit Kupariseoksiin kuuluvat esimerkiksi messingit (kuparin ja sinkin seos), joita on useita eri laatuja kuten -messinki, - -messinki, lyijymessinki (sorvi-), erikoismessingit sekä nikkelimessingit eli uushopeat (=alpakka). Toinen kupariseos on pronssi (kuparin ja tinan seos). Tavallisimmat ovat tinapronssit, alumiinipronssit, piipronssit ja kupari-nikkeli-seokset. Kuparia käytetään ensisijassa sähköjohteisiin, julkisivumateriaalina kuten kattopelteinä, kuumavesivaraajina ja putkina muun muassa. Happikupari, hapeton kupari ja deoksidoitu (fosforoitu) kupari Happikupari valmistetaan yksinkertaisella valutekniikalla happipitoisessa atmosfäärissä ja se sisältää happea n. 0,02%. Se on taipuvainen vetysairauteen (haurastuminen hehkutettaessa tai hitsattaessa). Hapeton kupari valmistetaan sulattamalla uudelleen elektrolyyttisesti puhdistettu kupari ja valamalla se pelkistävässä atmosfäärissä. Deoksidoitu (fosforoitu) kupari sisältää joitakin tuhannesosia fosforia aina 0,020% asti. Deoksidoitu (fosforoitu) kupari on vähemmän altis vetysairaudelle. Toisaalta sillä on huonompi sähkönjohtokyky. Niitä käytetään lämmönsiirtimissä, tislauskalusteissa, vesi-, kaasu-, höyry- ja lämmitysputkissa, ilmastointi- ja jäähdytyslaitteiden putkistoissa jne.
12 Seoskupareilla saadaan paremmat lujuusarvot, korkeammat pehmenemislämpötilat ja parempi lastuttavuus. Niitä käytetään auton jäähdyttimissä, lämmönvaihtimissa jne. Hitsattavuus Kuparia voidaan juottaa ja hitsata suuremmitta vaikeuksitta. Mahdollisesti esiintyvät vaikeudet johtuvat kuparin suuresta lämmönjohtokyvystä, suuresta lämpölaajenemisesta sekä sulaan kupariin liukenevista kaasuista, jotka kuparin jähmettyessä aiheuttavat huokosia. Kuparin lämmönjohtokyky on esimerkiksi 15 kertaa suurempi kuin teräksellä lämpötilassa 1000 C ja tämän johdosta se vaatii suuret paikalliset lämmöntuonnit, suuret sulamäärät ja esilämmitykset. Lämpölaajeneminen aiheuttaa suuret sisäiset jännitykset ja muodonmuutokset. Kylmämuokattu materiaali pehmenee hitsauslämmön vaikutuksesta ja lisäksi happikuparit saavat kuparioksideja raerajoille hitsin lämpövyöhykkeellä, josta seuraa haurastuminen. Riski vetysairauteen voi esiintyä, jos vetyä tulee jostakin esimerkiksi kaasuliekistä. Vetysairaus Kuten aikaisemmin on esitetty tietyt kuparit sisältävät jonkin verran happea (joitakin sadasosa prosentteja). Huoneenlämpötilassa tämä happi on kuparioksidina pieninä partikkeleina, jotka voidaan erottaa mikroskoopilla. Oksidit eivät sanottavasti vaikuta lujuusarvoihin. Kuparioksidit aiheuttavat vetysairautta, jos kappaletta hehkutetaan pelkistävässä atmosfäärissä. Vety pelkistävästä atmosfääristä diffuntoituu nimittäin kupariin ja reagoi kuparioksidin kanssa pinnan alla muodostaen vesihöyryä, mikä rikkoo metallin (katso kuva). Näitä ongelmia ei esiinny hapettomalla tai deoksidoidulla kuparilla. Kuparin hitsaus Tavanomaisimmat hitsausprosessit ovat MIG- ja TIG-hitsaus. Suojakaasuksi sopii parhaiten molemmille prosesseille argon-helium-seokset (50/50). Kaasuhitsausta voidaan käyttää erityisesti messingille. Puikkohitsausta voidaan käyttää, mutta se on harvinaista. Railon valmistus: viistetyt railot aineenpaksuuksille > 5 mm railokulmalla 60-70, V- tai X-railo, 1,5-3 mm juuripinta, < 2mm ilmarako. Tinapronsseilla pitää railokulma olla suurempi aina 90 asti. Muuta Useimmat kuparimateriaalit ovat sovitusherkkiä, kaikki virheet hitsin liitoskohdassa pitää sen vuoksi työstää pois. Puhtaus on ehdottoman välttämätöntä. Rasva, lika ja oksidit täytyy huolellisesti poistaa.
13 Esikuumennus Kupari; Pronssit; TIG-hitsauksessa aineenpaksuuksilla yli 4 mm MIG-hitsauksessa aineenpaksuuksilla yli 8 mm Esikuumennus 300-600 C riippuen aineenpaksuudesta Oltava huolellinen, että lämpötila ei ole alueella, jossa on heikko sitkeys nopea jäähdytys kriittisen lämpötila-alueen läpi ei mitään käsittelyä alle 600 C lämpötiloissa pienin mahdollinen lämmöntuonti huonompi lämmönjohtokyky kuin kuparilla, alempi esikuumennus ei esikuumennusta ohuille kappaleille paksummille 100-150 C riittää jos aloituskohta kuumennetaan C.2.4 Nikkeliseokset Valmistusmenetelmät Nikkeliä valmistetaan kahdella periaatteella. Toisen periaatteen mukaan valmistetaan ensin nikkelioksidia, mikä pelkistetään nikkelisieneksi eli metalliseksi hienojakoiseksi nikkeliksi. Johtamalla nikkelisienen yli sitten hiilimonoksidia, mikä muuttaa metallisen nikkelin kaasumaiseksi nikkeliyhdisteeksi, nikkelikarbonaatiksi. Lämmittämällä nikkelikarbonaatti hajoaa ja metallinen nikkeli saostuu. Tätä ns. mondnikkeliä myydään kuulina. Toisen periaatteen mukaan valmistetaan nikkelimalmista sulattamalla ja pelkistämällä ja sitten elektrolyyttisesti puhdistamalla nikkeliä. Tätä nikkeliä myydään elektrolyyttisinä levyinä tai pieninä paloina seosaineeksi tai pinnoitusmateriaaliksi. Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet Nikkelillä on muun muassa seuraavia fysikaalisia ominaisuuksia: hopean valkoinen väri magneettinen suuri tiheys (8,9 kg/dm 3 ) hyvin luja sekä korkeissa että matalissa lämpötiloissa erittäin hyvä syöpymiskestävyys helppo hitsata Nikkeliseokset ja käyttökohteita Nikkeliseoksia käytetään pääasiassa silloin, kun halutaan hyvää korroosiokestävyyttä hankalissa ympäristöissä tai kun tarvitaan hyvää lujuutta tai virumislujuutta korkeissa lämpötiloissa. Tietyt nikkeliseokset ovat sopivia matalalämpötilakäyttöön. Useimmilla nikkeliseoksilla ei ole suomalaisia standardeja vaan ne myydään kaupallisilla nimikkeillä.
14 Monel Nikkelin ja kuparin seos on ns. monelmetalli (Ni 60-70%), vähän alumiinia ja/tai mangaania ja loput kuparia). Kupari parantaa korroosiokestävyyttä. Hyvät lujuusarvot korkeissa lämpötiloissa. Käytetään pääasiassa kemian teollisuudessa tai lentokoneen osissa. Inconel (Ni 60-75%, + Cr, Mo, Fe, Al, Ti, Nb) Näitä on useita eri laatuja. Kuuluvat nikkelivaltaisten superseosten ryhmään. Kaikilla on hyvä tai erittäin hyvä korroosiokestävyys (jännityskorroosio). Joitakin laatuja käytetään hapettavissa ja toisia laatuja kloridipitoisissa ympäristöissä. Kaikilla on hyvä tulenkestävyys ja virumiskestävyys jopa 815 C:een. Käytetään kemian teollisuudessa, kaasugeneraattoreissa ja petrokemiallisessa teollisuudessa. Incoloy (Ni 42%, Cr 22%, Mo 3%, Ti 1%, loput Fe) Erittäin hyvä korroosiokestävyys ja hyvät lujuusarvot lämpötila-alueella -180 C - +1100 C. Käytetään kemiallisiin säiliöihin. Hastelloy (Ni 45-60%, + Cr, Mo, W, Fe) Näitä on useita eri laatuja. Hyvä korroosionkestävyys. Seos Hastelloy C-276 kestää hyvin happoja ja on omiaan kloridipitoisissa ympäristöissä. Seos Hastelloy G30 kestää hyvin fosforihappoja. Hitsausprosessit Nikkeliseoksia voidaan hitsata hyvin tuloksin eri hitsausprosesseilla kuten TIG-prosessilla, MIGprosessilla umpi- tai täytelangalla sekä puikolla. Tyypillisiä ongelmia Nikkeliseokset ovat hyvin hitsattavissa, mutta ongelmia voi esiintyä, jos railon pintoja ei ole puhdistettu riittävällä huolellisuudella. Ongelman aiheuttaa oksidi, joka sulaa korkeammassa lämpötilassa kuin perusmetalli. Ne voivat jäädä sulaan ongelmia aiheuttaen. Juuri ennen hitsausta on railojen pinnat puhdistettava esim. hiomalla. Harjaus ei valitettavasti riitä poistamaan oksideja. Lisäksi on oltava huolellinen ja puhdistettava sekä railojen pinnat että lisäaineet rasvanpoistoaineilla. Itsestään selvää on, että hitsaajalla on puhtaat hanskat käsissään. Sekä esikuumennus että lämpökäsittely voi tulla kysymykseen nikkeliseoksilla, mutta on hyvä muistaa, että jokaisella seoksella on omat ominaisuutensa.
15 C.2.5 Titaani ja muut erikoismateriaalit C.2.5.1 Titaani Titaani on eräs yhdeksästä eniten esiintyvästä alkuaineesta maapallon kiinteässä ulkokuoressa. Vuosituotanto maailmassa puhtaalle titaanimetallille on suurempi kuin 100 000 tonnia. Suurimmat tuottajat ovat Venäjä, USA ja Japani. Titaani on tämän päivän ja huomisen materiaali, jolloin asetetaan yhä suurempia vaatimuksia keveydelle, suurelle lujuudelle ja hyvälle korroosiokestävyydelle vaativissa olosuhteissa. Titaanin ja sen seosten käyttö kasvaa jatkuvasti. Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet Titaanin tiheys on vain 4,51 g/cm 3 (teräs 7.9 g/cm 3 ). Keveytensä takia titaani luetaan kevytmetalleihin. Titaaniseoksia voidaan verrata parhaisiin rakenneteräksiin Titaani on muovattavissa Titaanin lämmön- ja sähkönjohtavuus on heikko Titaaniseoksia voidaan käyttää aina 550 C asti Titaani ei haurastu ja se säilyttää sitkeytensä aina -270 C asti Titaania voidaan käyttää kohteissa, joissa vaaditaan hyvää korroosiokestävyyttä. Sen korroosiokestävyys perustuu sen pinnassa olevaan ja hyvin kiinni pysyvään oksidikerrokseen, jonka paksuus on n. 10 nm. Vaurioituneen oksidikalvon titaani korjaa ympäristöstään ottamallaan hapella. Hapettomassa tai pelkistävässä ympäristössä oksidisuoja heikentyy. Korroosiokestävyys Seostamattoman titaanin korroosiokestävyys on erittäin hyvä esimerkiksi kosteissa kloorikaasuissa ja kloridiyhdisteissä kuten esimerkeiksi merivedessä ja jäähdytysliuoksissa. Näissä olosuhteissa titaani on ylivoimainen useimpiin muihin materiaaleihin verrattuna. Väsymislujuus Titaanin väsymislujuuteen vaikuttaa erityisesti sen pinnanlaatu. Mitä sileämpi ja tasaisempi se on sitä paremmin titaani kestää. Esimerkiksi hiotuilla pinnoilla saadaan paremmat väsymislujuusarvot kuin koneistetuilla pinnoilla. Kuumamuokkaus Titaania voidaan valssata ja takoa. Lämpötilan pitää olla alle 900 C, koska titaani pyrkii sitomaan tai liuottamaan itseensä happea, typpeä ja vetyä. Lämmitysajan tulee olla niin lyhyt kuin mahdollista. Kylmämuokkaus Titaanin kylmämuokkausta voidaan suorittaa tietyssä laajuudessa. Vaikeampia syvävetooperaatioita voidaan helpottaa suorittamalla ne lämmitettyinä, 100-200 C on riittävä.
16 Lämpökäsittely Kylmämuokatulle titaanille voidaan tehdä jännitystenpoistohehkutusta 500 C vajaa 20 minuuttia. Voimakkaasti muokatulle titaanille tulee suorittaa rekristallisaatiohehkutus 700 C vajaa 20 minuuttia. Hitsausprosessit TIG-hitsaus on tavallisin hitsausprosessi titaanin hitsauksessa. Plasmahitsaus on myös sopiva esimerkiksi mekanisoidussa hitsauksessa. Myös MIG-hitsausta käytetään. Yhteistä hitsausprosesseilla on, että sula metalli ja vieressä oleva kuumentunut vyöhyke täytyy suojata ilmalta ja muilta aktiivisilta kaasuilta. Tästä johtuu, että kaasu- ja MAG-hitsausta ei voida käyttää, koska ne perustuvat aktiivisiin kaasuihin. Titaanin hitsauksessa käytetään usein suoja- ja juurikaasun lisäksi jälkikaasua. Ajateltavaa pidä erillään titaaniosat teräsosista valmistuksen aikana suojaa titaaniosat ilmassa olevilta pölyhiukkasilta käytä vain titaanille tarkoitettuja työkaluja puhdista railonpinnat juuri ennen hitsausta käytä vain puhtaita hansikkaita hitsaustulos arvostellaan juuri hitsin vieressä olevan oksidikalvon värin perusteella. Hyväksyttäviä värejä ovat hopeankirkas ja oljenkeltainen. Käyttökohteita Titaania ja sen seoksia käytetään ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, laivanrakennusteollisuudessa sekä kemian- ja puunjalostusteollisuudessa. Titaania käytetään putkissa, venttiileissä, lämmönvaihtimissa, pumpuissa, säiliöissä, kaasu- ja höyryturbiinien siivissä ja rungoissa, rakettimoottorien osissa jne. C.2.5.2 Valurauta Valurauta on rautaa, jossa on yli 2% hiiltä. Näin ollen juuri suuri hiilipitoisuus erottaa valuraudan erityyppisistä teräksistä. Valurautoja on pääasiassa kolmea eri lajia: suomugrafiittivalurauta, eli harmaarauta (SFS-EN 1561) pallografiittivalurauta (SFS-EN 1563, SFS-EN 1564) adusoitu valurauta, eli temperrauta (SFS-EN 1562)
17 Valuraudat ovat vaikeita hitsata koska rakenne sisältää hiiltä grafiittina ja/tai karbideina. Enin osa hiilestä on yleensä grafiittisulkeumina, mutta merkittävä osa siitä rautaan yhtyneenä eli rautakarbidina eli sementiittinä. Sementiitti on kova ja hyvin halkeamaherkkä mikrorakenne. Materiaali tunnetaan hyvin pienestä vetomurtolujuudesta ja todella heikosta sitkeydestä. Monista syistä niitä joudutaan joskus kaikesta huolimatta hitsaamaan. Kyseessä voi olla rakennehitsaus, jossa valurautaa hitsataan valurautaa sekä teräkseen. Kuitenkin tavallisempaa on hajonneiden tai kuluneiden valurautakappaleiden tai valukappaleiden valuvirheiden korjaushitsaus. Hitsattavuus Parhaiten hitsattavissa ovat ferriittiset valuraudat (harmaa valurauta). erityisesti ferriittinen pallografiittivalurauta. Sen sijaan valkoiset valuraudat ovat hyvin rajoitetusti (jos lainkaan) hitsattavissa. Yksinkertaisinta on suorittaa ns. kylmähitsaus, jossa hitsaus tapahtuu kylmänä ilman esikuumennusta (<100 C). Hätätilassa hitsaus voi tapahtua seostamattomalla puikolla, mutta silloin on olemassa vaara, että valuraudasta tulee liian kova, mikä tekee koneistuksen mahdottomaksi. Tavallisempaa on käyttää nikkeli- tai pronssipuikkoja. Suurempien kappaleiden hitsauksessa syntyy myös suurempia jännityksiä. Sellaisissa tapauksissa on parempi suorittaa hitsaus puolikuumana (esikuumennus 100-300 C) nikkelipuikoilla. Hankalimmissa tapauksissa suositellaan kuumahitsausta (300-600 C) valurautapuikoilla. Tässä tapauksessa kuten kaikissa hitsauksissa pitää kappaleet olla puhdistettu öljystä ja rasvasta. Valupinta ja hiekkasulkeumat pitää poistaa (hionta) ja railokulmien pitää olla suuremmat kuin terästä hitsattaessa, mieluusti ympäripyöreitä. Hitsaus jalkoasennossa antaa parhaan tuloksen, mutta on olemassa myös asentohitsauspuikkoja (esimerkiksi Castolin 2230). Käytetään niin ohuita puikkoja kuin mahdollista. Tällöin perusaine sulaa vähemmän ja lämpövaikutusvyöhyke jää pienemmäksi. Hitsit pitää vasaroida välittömästi hitsauksen jälkeen puristusjännitysten aikaansaamiseksi ja kutistumisvaikutuksen vähentämiseksi. Ole tarkkana että et tee kraatteria hitsin lopetuskohtaan. Kraatterissa voi olla mikrohalkeamia, jotka helposti leviävät laajemmalle ja suurentuvat.
18 Lämpökäsittely Hankalimmissa tapauksissa ja suurissa kappaleissa voi olla tarpeen suorittaa apulämpökäsittely. Se voi olla jännitystenpoistohehkutus, mikä tapahtuu 500-560 C pitoajan (aika, jonka kappale on kokonaan ko lämpötilassa) ollessa noin 1,5 tuntia/25 mm aineenpaksuutta kohti ja hidas jäähdytys sen jälkeen. Parantaa lujuusarvoja. Normalisointi suoritetaan lämpötilassa 900-920 C pitoajan ollessa n. 3 tuntia. Hidas jäähdytys. Seostettuja valurautoja, usein tyypiltään valkoisia valurautoja, käytetään kulutusosissa (murskaimet yms). Tähän tyyppiin kuuluvat ns. Ni-hard-valuraudat. Ne eivät ole hitsattavissa.