1 A.2 Hitsauslaitteisto A.2.1 Sähkön jakelu, liitäntä verkkoon Hitsauslaitteiston ensisijainen tehtävä on pienentää jakeluverkon korkea jännite sekä samalla mahdollistaa suuren sähkövirran käytön. Lisäksi sähkövirtaa on pystyttävä säätämään eri hitsaustöihin sopivaksi. Hitsausvirtalähteen tarkoituksena on tuottaa sähkötehoa ja ne valmistetaan siten, että virtaa voidaan asettaa pienin askelin tai kokonaan portaattomasti. A.2.2 Verkkojännitteen ja virran muuntaminen hitsausenergiaksi, hitsausvirtalähde Puikkohitsaus Valokaaren ominaiskäyrä Valokaaren pituuden muuttuessa muuttuvat sekä jännite, U, että sähkövirta, I. Käyrässä piste A osoittaa tyhjäkäynti jännitettä, eli silloin virtalähdettä ei kuormiteta, ts. se on tyhjänä käynnillä eikä hitsausta suoriteta. Piste B osoittaa oikosulkuvirtaa, eli tällöin puikko on kiinteässä kosketuksessa työkappaleeseen. Virta kulkee puikon kautta kappaleeseen ilman että valokaari on syttynyt. Tässäkään pisteessä ei tapahdu hitsausta (vrt. kuva). Pisteessä C tapahtuu hitsausta, sekä jännitteen että virran arvot voidaan mitata. Valokaaren pituuden kasvaessa toimintapiste siirtyy C:stä D:hen, t.s. jännite kasvaa ( U) ja virta vähenee ( I). Koska ominaiskäyrä on voimakkaasti laskeva, virran muutos ei kuitenkaan ole kovin suuri tällä hitsauslaitteen ominaisuudella, joka on suositeltava käsikäyttöisessä puikkohitsauksessa.
2 MIG/MAG-hitsaus Virtalähde ja sen ominaisuudet MIG/MAG hitsauksessa virtalähteet ovat vakio-jännite tyyppiä, kuitenkin jännite kuormituksen kasvaessa laskee lievästi. Tästä seuraa, että jos prosessissa syntyvä häiriö aiheuttaa lyhyemmän valokaaren niin työpiste alenee, ts. jännite laskee ja virta kasvaa (kuvan pisteestä 1 pisteeseen 2). Virran kasvu aiheuttaa sulamisnopeuden kasvua ja valokaaren pituus palautuu (vrt. piste 3). Tämä itsesäätävyys on voimakkaampaa mitä vähemmin laitteen ominaiskäyrä laskee. Vaakasuoraa ominaiskäyrää, nk. vakiojännitetyyppiä, käytetään paitsi MIG/MAG hitsauksessa myös jauhekaarihitsauksessa ja sille on ominaista: Hyvä valokaaren pituuden hallinta Sähkövirran määräävät syöttöjännite ja puikon halkaisija. Valokaaren itsesäätävyys Langan säätönopeus vähenee Valokaaren pituus kasvaa Valokaaren jännitys kasvaa Virta pienenee Sulamisnopeus laskee Valokaaren pituus palautuu
3 TIG-virtalähteet Useimmat nykyaikaiset virtalähteet, kuten hitsausmuuttajat, hitsausmuuntajat, hitsaustasasuuntaajat ja invertterit voidaan käyttää virtalähteinä TIG-hitsauksessa. Näihin koneisiin tarvitaan TIG-lisälaite, johon on liitetty TIG-hitsain monitoimijohtoineen, kaasuliitäntä automatiikkoineen sekä sytytyslaite. Monet konetoimittajat valmistavat laitteita, joissa on kaksinkertaiset toiminnot, puikkohitsausta ja TIG-hitsausta varten. Löytyy myös kaksoisvirtalähteitä, siis sekä tasa- että vaihtovirtaa. TIG-virtalähteen ominaiskäyrä Käyrä on TIG-hitsauksessa jyrkempi kuin puikkohitsauksessa. Valokaaren pituusvaihteluita seuraa siten pienemmät virranvaihtelut. Pienemmän virranvaihtelun etu on, että volframipuikon sulaminen on pienempi joten se kestää pitempään. Kaksi tyypillistä TIG-hitsausvirtalähdettä. Kempak 200 Kemppi Oy:stä vasemmalla ja MTE 320 Migatronic:istä oikealla
4 A.2.3 Muuntajat, vaihtovirran käyttö Puikko- ja MIG/MAG-hitsaus Muuntajan tehtävä on muuntaa sähköverkon korkea vaihtojännite ja rajoitettu virranvoimakkuus alempaan jännitteeseen sallien samalla suurempia virranvoimakkuuksia. Muuntajassa on rautasydän, jonka ympäri on kelattu kaksi käämiä, ns. ensiö- ja toisiokäämit. Ensiökäämi liitetään syöttöjohdolla sähköverkkoon, jonka jännite on 380 V 400V. Toisiokäämissä on lukumäärältään vähemmän kierroksia, ja sen jännite on suhteessa pienempi. Hitsausmuuntaja on yksivaiheinen laite, mikä tarkoittaa, että sen ensiökäämi on kytketty kahden vaiheen tai yhden vaiheen ja nollapisteen väliin (riippuu muuntajan nimellisjännitteestä). Käytössä on myös muuntajia, jotka on suunniteltu 220 V:in jännitteelle eli vaiheen ja maadoitetun nollan väliin. Muuntajasta saadaan vaihtovirtaa
5 TIG-hitsaus TIG-hitsauksessa käytetään vaihtovirtaa kaikessa alumiinin ja alumiiniseosten hitsauksessa. Syy vaihtovirran käyttöön on, että se murtaa auki vaikeasti sulavan alumiinioksidin. Alumiinin sulamispiste on n. 660 C (seoksesta riippuen) kun taas alumiinioksidi sulaa vasta n. 2 040 C:ssa. Tästä johtuen oksidi on poistettava eri tavalla, jolloin vaihtovirta, jossa napaisuus vaihtelee plussan ja miinuksen välillä, toimii erinomaisesti. Suurin osa oksidista on poistettava etukäteen ennen hitsauksen aloittamista - raapimalla, viilaamalla, harjaamalla jne., mutta koska oksidin kasvu alkaa heti puhdistuksen loputtua on hitsaus siis suoritettava vaihtovirralla, joka murtaa viimeiseksi muodostetun oksidin. Alumiinia voidaan hitsata käyttämällä tasavirran plusnapaa, mutta lämpöjakauman takia tämä merkitsee, että elektrodi sulaa (Katso myös A.1.2). A.2.4 Tasasuuntaja Puikko- ja MIG/MAG-hitsaus Tasasuuntaajaan kuuluvat muuntaja- ja tasasuuntaajaosa. Verkon jännite muunnetaan aluksi sopivaan alhaiseksi jonka jälkeen se tasasuunnataan tasavirraksi. Tavallisimmin syöttöjännite on kolmivaiheista. Jokainen vaihe tasasuunnataan ja ulostulot yhdistetään positiiviseen ja negatiiviseen napaan. Näihin napoihin liitetään hitsauspistooli ja paluujohto. Tasasuuntaajan periaate
6 TIG-hitsaus TIG-hitsauksessa käytetään tasavirtaa useimmille metalleille, kuten seostamaton teräs, ruostumaton teräs, pronssi ym. Virtalähteenä käytetään pääasiallisesti tasasuuntaajaa tai invertteriä, mutta myös kaksoisvirtalähteitä jotka antavat sekä tasa- että vaihtovirtaa. (Katso myös T 1.2.2.) Invertteri Tavallisessa tasasuuntaajassa muuntaja on raskain komponentti. Muuntajan paino on mm. riippuvainen käytetyn vaihtovirran jaksoluvusta. Nostamalla jaksolukua voidaan siten pienentää painoa. Tätä ominaisuutta hyödynnetään invertterissä. Siinä muuntaja toimii jaksoluvulla 2-3kHz, eli n. 40 60 kertaa korkeammalla kuin verkon jaksoluku (50 Hz). Korkean jaksoluvun ansiosta saavutetaan myös jännitteen ja virran nopea säätö, josta seuraa hyvät hitsausominaisuudet. Jotta voitaisiin muuntaa verkkojaksoluku korkeammaksi jaksoluvuksi on syöttävä kolmivaihe-vaihtovirta ensin tasasuunnattava. Tämän jälkeen se muunnetaan uudelleen vaihtovirraksi, mutta korkeammalla jaksoluvulla. Tämän jälkeen jännite muunnetaan sopivan alhaiseksi hitsausta varten ja lopuksi se tasasuunnataan. Jotta virtalähteen ominaisuudet olisivat sopivat ja dynamiikka hitsaukseen sopiva, koko toimenpide ohjataan säätöpiirillä. Tämän ratkaisun huomattavin etu on, että saadaan virtalähde, joka on pieni ja kevyt suhteessa tehoon ja jonka hyötysuhde on parempi kuin muiden ratkaisujen. Invertteri on pieni, kevyt ja antaa hyvon kelvollista hitsausvirtaa useimpiin hitsaustehtäviin.
7 Hitsausmuuttaja Hitsausmuuttaja on edellisistä laitteista poiketen dynaaminen, ts. sähkövirta tuotetaan pyörivästä laitteesta. Käyttövoimana on vaihtovirtamoottori tai polttomoottori. Tämä pyörittää tasavirtageneraattoria, josta saadaan hitsauspiirin vaadittu matalajännitteinen sähkövirta. Osat ovat tavallisesti yhteen rakennettuja yhteisen akselin kumpaankin päähän. Invertteristä saadaan tasavirtaa Polttomoottorikäyttöinen hitsausmuuttaja Kuvateksti: Polttomoottorikäyttöinen hitsausmuuttaja.
8 Hitsausmuuttajasta saadaan tasavirtaa A.2.5 Tyhjäkäynti- ja kaarijännite, hitsausvirta Tyhjäkäyntijännite Tyhjäkäyntijännite vallitsee kuormittamattoman hitsausvirtalähteen napojen välillä. Jännite on kytketty, mutta hitsausta ei suoriteta. Tyhjäkäyntijännite vaihtelee puikkohitsauskoneessa välillä 60 100 V. MIG/MAG hitsauksessa tyhjäkäyntijännite vaihtelee asetetusta arvosta riippuen välillä 15 35 V. Työjännite Työjännite on se jännite, joka saadaan mitatessa virtalähteen hitsausulosottojen välillä hitsauksen aikana. Se on hieman korkeampi kuin kaarijännite. Kaarijännite Kaarijännite on lisäaineen tai elektrodin kärjen ja työkappaleen välinen jännite kaaren palaessa. Kaarijännite voi vaihdella välillä n. 15 30 V. Kaarijännite mitataan volttimittarilla, joka on kytketty puikon pitimen, hitsauspistoolin tai hitsaimen ja paluujohdon väliin.
9 Hitsausvirta Sähköjohdon poikkileikkauksen kautta aikayksikössä läpivirtaavien elektronien lukumäärä sanotaan sähkövirraksi. Kun hitsaaja sytyttää valokaaren sulkeutuu virtapiiri ja sähkövirta alkaa kulkea. Sähkövirran suuruus riippuu lisäaineen halkaisijasta, mutta myös hitsauskaapelin pituudesta ja poikkipinta-alasta. Jos kaapeli on pitkä ja /tai poikkipinta-ala pieni, sen vastus on suurempi ja hitsausvirta on samalla hitsausjännityksellä pienempi. Hitsausvirran asetus tapahtuu hitsauskoneen etupaneelista olevalla nupilla, jossa tavallisesti on asteikko osoittamassa koneen antamaa suurinta virtaa. Tätä virtaa voidaan kuitenkin harvoin käyttää (katso alla olevaa selostusta käyttökertoimesta). Muita sähkövirran säätimiä ovat kaukosäädin ja pulssilaite. Hitsausvirta mitataan ampeerimittarilla. A.2.6 Virtalaji ja napaisuus Kaarihitsauksessa voidaan käyttää joko tasavirtaa tai vaihtovirtaa. Virtalajin ja napaisuuden valintaan vaikuttaa mm. hitsausprosessi, lisäaine ja hitsattava materiaali. Napaisuudella tarkoitetaan hitsauksessa yleensä sitä napaa, johon lisäaine/elektrodi on kytketty. Puikkohitsaus - yleensä tasavirta - kaikki puikkotyypit voidaan hitsata tasavirralla - napaisuus riippuu päällysteestä - rutiilipuikot voidaan hitsata kummassa navassa tahansa - emäspuikot hitsataan yleensä plusnavassa - ainoastaan tietyt emäspuikot voidaan hitsata miinusnavassa - joskus käytetään myös vaihtovirtaa - rutiilipuikot voidaan aina hitsata vaihtovirralla - ainoastaan tietyt emäspuikot voidaan hitsata vaihtovirralla MIG/MAG-hitsaus umpilangalla - aina tasavirta - aina plusnapa MAG-täytelankahitsaus - aina tasavirta - napaisuus riippuu täytelankatyypistä - rutiililangat hitsataan aina plusnavassa - emäslangat hitsataan yleensä aina miinusnavassa - metallitäytelangoilla napaisuus riippuu lankalaadusta. Jotkut hitsataan aina miinusnavassa, jotkut plusnavassa ja jotkut kummassa tahansa navassa
10 TIG-hitsaus - yleensä tasavirta - napaisuus yleensä aina miinusnapa - vaihtovirtaa käytetään kevytmetallien hitsauksessa A.2.7 Käyttösuhde Käyttösuhteella ilmoitetaan hitsauslaitteiston todellinen tuotantokyky. Konetta voidaan kuormittaa täydellä virralla vain lyhyen ajan. Jos tämä aika ylitetään, kone kuumenee ja varoke palaa. Ei siis ole oleellista tietää miten suuri koneen maksimaalinen hitsausvirta on tärkeätä on montako ampeeria voidaan käyttää määrätyn ajan kuluessa. Tämä aika selviää arvokilvestä. Kaariaika Hitsattaessa kaariaika on se aika, jolloin valokaari palaa. Se jaetaan kymmenen minuutin jaksoihin. Jokaisen jakson aikana kaari saa palaa niin suuren osan jakson ajasta, kun käyttösuhde % ilmoittaa. A.2.8 Suojakaasun tuonti MIG/MAG-hitsaus Tarvittava suojakaasu otetaan joko korkeapaineisesta kaasupullosta tai suojakaasuverkostosta. Paine kaasupullossa on yleensä 200 baaria ja verkostossa 4-6 baaria. Suojakaasu virtaa pullosta pistooliin pulloventtiilin, virtaussäätimen, kaasuletkun, magneettiventtiilin ja monitoimijohdon kaasuletkun kautta. Suojakaasuvirtauksen säätöön käytetään yleensä pulloon liitettävää virtaussäädintä eli, rotametria. Kaasun virtausmäärä on luettavissa mittalasin asteikolta mittahelmen kohdalta. Virtaus ilmoitetaan ja mitataan yleensä l/min. Kaasuvirtauksen avautuminen ja sulkeutuminen hoidetaan magneettiventtiilillä, jonka toimintaa ohjataan pistoolin liipasimella. TIG-hitsaus TIG-hitsaus vaatii inertisen kaasun(ei aktiivi), joka suojaa työkappaleen ja lisäaineen kuumat ja sulat osat sekä myös puikon ympäröivän ilman haitallisilta vaikutuksilta. Suojakaasu voidaan liittää hitsaimeen ja kaasua ohjaa säätölaite ja venttiili. Nykyaikaisissa TIG-hitsaukseen tarkoitetuissa hitsauslaitteissa suojakaasu on kytketty hitsauskoneen kautta, jossa on magneettiventtiili, jolla hitsaimeen syötetään kaasua.
11 Hitsaimessa on painonappi tai mikrokytkin, jolla hitsattaessa avataan magneettiventtiili ja jolla kaasun tulo lopetetaan hitsauksen keskeytyessä. Useimmissa nykypäivän TIG-hitsauslaitteissa on myös muita hienouksia. Tällainen on säätö kaasun etukäteis- ja jälkivirtauksen annosteluun. Tavallisesti ajaksi asetetaan 1 5 sekuntia. A.2.9 Hitsausparametrit Kaasun jälkivirtaus-ajan asetus TIG-hitsauslaitteessa Hitsausparametreilla tarkoitetaan hitsauksen suorittamiseen tarvittavat tiedot. Hitsausparametreihin kuuluvat mm. lisäaine (luokittelu ja koko), perusaine, railomuoto, mekaaniset ja sähköiset hitsauksen suoritusarvot, esikuumennus- ja työlämpötila ja palkojärjestys. MIG/MAG- ja TIG-hitsaukseen kuuluu myös suojakaasun virtausnopeus. Hitsauksen mekaanisiin ja sähköisiin suoritusarvoihin (hitsausarvoihin) kuuluvat mm. lisäaineen koko, hitsausvirta, kaarijännite ja kuljetusnopeus. MIG/MAG-hitsaukseen kuuluvat myös langansyöttönopeus ja suutinetäisyys.