Kaarihitsaus

Kaarihitsausmenetelmät kuuluvat sulahitsausmenetelmiin. Hitsaukseen tarvittava lämpö tuotetaan kaarihitsauksessa valokaaren avulla. Jos hitsaus suoritetaan suojakaasun ympäröimänä on kyse kaasukaarihitsauksesta. Kaarihitsausmetelmillä voidaan hitsata lähes kaikkia sähköä johtavia materiaaleja. Nikolai Nikolajevitš Benardos (1842–1905) oli venäläinen keksijä, joka vuonna 1881 esitteli hiilikaaritalttaushitsauksen, joka oli ensimmäinen käytännön kaarihitsausmenetelmä.

Puikkohitsausta.

Menetelmät

Yleisimmät kaarihitsausprosessit ovat: • puikkohitsaus (No 111) • MIG-hitsaus (No 131) • MAG-hitsaus (No 135) • MAG-täytelankahitsaus (No 136) • TIG-hitsaus (No 141) • jauhekaarihitsaus (No 12) • plasmahitsaus (No 15)

Puikkohitsaus

Kuvassa on muutamia hitsauspuikkoja irrallaan sekä puikonpidin, jossa on kiinni hitsauspuikko, kaapeli ja liitin.

Puikkohitsaus (engl. Manual Metal Arc welding (MMA welding), Shielded Metal Arc Welding (SMAW)) on vanhin ja tunnetuin kaarihitsausprosessi. Puikkohitsauksessa valokaari palaa puikon ja hitsattavan kappaleen välissä. Hitsattaessa perusaine ja lisäainepuikon sydän sulavat valokaaren vaikutuksesta ja lisäaine siirtyy puikon pinnoitteesta syntyneen kuonan ympäröiminä pisaroina hitsisulaan. Lisäaine ja perusaine sekoittuvat hitsisulassa ja kuona jää hitsin pintaan. Hitsisulan jähmetyttyä kuona voidaan hakata irti ja näin paljastuu valmis hitsi. Joissakin lisäainepuikoissa on päällysteeseen lisätty metallijauhetta, joka myös sulaa hitsiin lisäaineeksi, mikä lisää puikon riittoisuutta. Hitsin jäähdyttyä poistetaan hitsin pinnalle kovettunut kuona. Puikkohitsauksen etuja ovat monipuolisuus ja toimivuus hankalissakin olosuhteissa. Se kestää mainiosti mm. tuulta ja vettä.

Puikkohitsaus ei sovellu ohuille (alle 1,0 mm) ainepaksuuksille, mutta muuten ainepaksuudelle ei käytännössä ole rajaa.

Puikkohitsauksessa käytetään joko vaihto- tai tasavirtaa. Edulliset hitsausmuuntajat tuottavat vaihtovirtaa. Tasavirtaa tuottavat hitsausmuuntajat ovat olleet selvästi kalliimpia, mutta hintaero on tasoittumassa. Tasavirtaa on tuotettu muun muassa pyörivän moottori-tasavirtageneraattori -yhdistelmän avulla ja seleenitasasuuntaajilla. Nykyisin tehoelektroniikalla toteutetut invertterit ovat suosittuja keveyden ja hyvien hitsausominaisuuksien vuoksi.

Hitsauspuikko valitaan hitsattavan kohteen (aineen paksuus, materiaali) sekä hitsauskoneen (tasavirta, vaihtovirta) mukaan. Vaihtovirtakoneella ei voi hitsata kaikkia kohteita. Hitsauspuikon paksuus valitaan lähinnä aineen paksuuden mukaan. Hitsauspuikot voidaan luokitella kolmeen perustyyppiin päällysteensä mukaan: happamat, emäksiset ja rutiilipuikot. Tavallisten teräsrakenteiden hitsauksessa tasavirralla on emäksinen puikko yleisin. Rutiilipuikkoja käytetään - joidenkin erikoisratkaisujen ohella - hitsattaessa vaihtovirralla rakenneteräksiä. Hitsauspuikkoja on eri vahvuisia aina 1,6 millimetristä 6 millimetriin asti.

TIG-hitsaus

Pääartikkeli: TIG-hitsaus

Puikko- ja TIG-hitsaukseen soveltuva virtalähde.

TIG-hitsaus (engl. Tungsten Inert Gas Welding (TIG), Gas Tungsten Arc Welding (GTAW)) on kaasukaarihitsausprosessi, jossa valokaari palaa sulamattoman volframielektrodin ja työkappaleen välissä inertin suojakaasun ympäröimänä. Suojakaasu on useimmiten argonia, mutta myös heliumia tai argonin ja heliumin seoksia käytetään, joissakin tapauksissa. TIG-hitsausta voidaan tehdä lisäainetta syöttäen tai ilman lisäainetta. Lisäaine on yleensä 1,5–3,5 millimetriä paksu noin metrin mittainen paljas lanka, jonka koostumus vastaa hitsattavaa materiaalia. Käsinhitsauksessa lisäaine syötetään hitsisulaan käsin. Lisäaine voidaan syöttää myös koneellisesti, jolloin puhutaan mekanisoidusta TIG-hitsauksesta. TIG-hitsauksessa käytettävät virtalajit ovat tasavirta ja vaihtovirta. Virtaa voidaan myös tarvittaessa pulssittaa.

TIG-hitsausta käytetään yleisesti vaativien putkistojen hitsauksiin, ruostumattomien putkien ja putkipalkkien hitsaukseen ja valmistukseen, ohuiden aineiden hitsaukseen, alumiinien ja erikoismetallien hitsaukseen ja pieniin korjaushitsauksiin. Käyttöalue alkaa noin 0,1 mm:n ainepaksuudesta lähtien.

Hitsausprosessin etuja ovat muun muassa hyvä sulan ja tunkeuman hallinta, tarkasti säädeltävä lämmöntuonti ja hitsin puhtaus. Hitsaus on lisäksi mahdollista ilman lisäainetta eikä hitsin päälle muodostu kuonakerrosta ja hitsistä yleensä saadaan helpommin halutun muotoinen kuin muilla kaarihitsausprosesseilla. Huonoja puolia ovat hitsaamisen hitaus, pieni hitsiaineen tuotto ja suurehko lämmöntuonti verrattuna MIG/MAG hitsaukseen, sekä useissa tapauksissa laitteiston kallis hinta.

MIG/MAG-hitsaus (Metal Inert Gas / Metal Active Gas Welding)

Pääartikkeli: MIG/MAG-hitsaus

MIG/MAG-hitsauksessa (engl. Gas Metal Arc Welding (GMAW)) sähkövirran avulla aikaansaatava valokaari palaa lisäainelangan ja hitsattavan kappaleen välissä hitsauskaasun suojaamana. Hitsattaessa valokaari sulattaa perusaineen ja lisäaineen, jotka jähmettyessään muodostavat kiinteän kokonaisuuden. Lisäainelanka on ohutta metallilankaa, jonka koostumus on yleensä lähes sama kuin perusaineella. Lisäaine syötetään poikkeuksetta koneellisesti. Langan paksuus vaihtelee tyypillisesti 0,6 mm ja 1,6 mm välillä. Tärkeimmät tapauskohtaisesti säädettävät hitsausparametrit ovat langan syöttönopeus sekä hitsausjännite. Yleisiä suojakaasuja ovat hiilidioksidi (CO₂), argon, helium ja näiden seokset. Hitsausta kutsutaan MIG-hitsaukseksi, jos suojakaasu on inerttiä eli suojakaasu ei reagoi hitsisulan kanssa. Vastaavasti hitsaus on MAG-hitsausta, mikäli suojakaasu reagoi sulan kanssa. Suojakaasu voidaan kokonaan tai osittain korvata käyttämällä ydintäytelankaa, jolloin langan sisällä on sulaa hitsiainetta suojaavia aineita. Tätä kutsutaan kuitenkin ydintäytelankahitsaukseksi eikä MIG/MAG-hitsaukseksi, vaikkakin kyse on MIG/MAG-hitsauksesta suojakaasuineen – kaasua ei vaan tuoda prosessiin kaasuna, vaan se muodostuu ydintäytelangan materiaalien kaasuuntumisessa.

MIG/MAG-hitsauksen etuja ovat nopeus ja hitsin puhtaus. Hitsin päälle ei tyypillisesti myöskään muodostu kuonakerrosta. Tunkeuman ja hitsin muodon hallinta on MIG/MAG-hitsauksessa vaikeampaa kuin TIG-hitsauksessa. Suoritusteknisestä helppoudesta huolimatta hitsauslaitteiston oikea säätäminen voi tuottaa vaikeuksia. Myös huomaamaton vapaalangan pituuden muuttuminen vaikuttaa voimakkaasti perusaineeseen kohdistuvaan sulatustehoon, minkä vuoksi hitsiin jää helposti huomaamattomia virheitä.

Plasmahitsaus

Plasmahitsaus (engl. Plasma Arc Welding (PAW)) on kaasukaarihitsausprosessi, jossa valokaari palaa plasmakaasun ja suojakaasun ympäröimänä sulamattoman volframielektrodin ja työkappaleen välillä. Hitsauslämmön lähde on valokaari, jossa hitsaussähkön johtaa valokaaressa plasmaksi hajonnut kaasu kuten muissakin kaasukaarihitsausmenetelmissä. Plasmakaari aikaansaadaan, kun valokaari pakotetaan kulkemaan plasmakaarivirtauksen mukana ahtaan kuparisuuttimen läpi suurella nopeudella. Kaaren muoto muuttuu kartiokkaasta syliterimäiseksi patsaaksi eli valokaari kuroutetaan ja kaaren energiatiheys kasvaa. Valokaaren lämpö siirtyy tällöin tehokkaasti virtaavaan kaasuun. Plasman pääkaari sytytetään pilotti- eli apukaarella, joka palaa elektrodin ja suuttimen välissä.

Plasmahitsauksessa käytetään yleensä lisäainetta, joka tuodaan hitsisulaan lankana. Lisäaineen tarve määräytyy lähinnä railosovituksen tarkkuuden mukaan. Jauheplasmahitsauksessa lisäaine tuodaan pieninä partikkeleina jauheena suojakaasun mukana hitsisulaan. Lisäaineen tehtävänä on lähinnä kompensoida sovitusepätarkkuuksien tarvitsema hitsiainemäärä.

Tyypillinen plasmahitsauslaitteisto koostuu virtalähteestä, hitsauspolttimesta, ohjausyksiköstä, sytytyslaitteesta, jäähdytyslaitteesta, langansyöttölaitteesta ja kaasunvirtauslaitteista. Virtalähde on samanlainen kuin TIG-hitsausvirtalähde ja ominaiskäyrä on jyrkästi laskeva, jotta hitsausvirta pysyy vakiona kaaren pituuden vaihteluista huolimatta. Virtalaji on yleensä tasavirtaa ja elektrodi on kytketty miinusnapaan. Plasmahitsauksessa käytettävät elektrodit ovat TIG-hitsauksen tapaan koostumukseltaan puhdasta volframia, torium- tai zirkoniseosteista volframia.

Hitsauslangan syöttöön käytetään yleensä mekanisoituun TIG-hitsaukseen tarkoitettuja langansyöttölaitteita, joiden antamat langansyöttönopeudet ovat riittävän pieniä. Tyypillinen syöttönopeus on noin 100 cm/min, kun se MIG/MAG-hitsauksessa usein ylittää 10 m/min. Plasmahitsausta on kahta versiota: sulattava tai lävistävä hitsaus. Ohuemmat kuin 3 mm paksuudet hitsataan sulattavalla ja paksummat lävistävällä plasmalla. Sulattava plasmahitsaus muistuttaa hyvin paljon TIG-hitsausta.

Plasmahitsaus on ainoa kaarihitsausprosessi, jossa energiatiheys on riittävän korkea tekemään mahdolliseksi lävistävän hitsauksen, ns. keyhole-hitsauksen, mikä muuten esiintyy vain sädehitsausprosesseilla. Kaaren lämpö ja paine muodostavat reiän, jota kutsutaan "key-hole"-reiäksi eli lävistysreiäksi ja jota voidaan kuljettaa pitkin railoa eteenpäin. Hitsauksen edetessä hitsisula virtaa plasmapatsaan vieritse yhtenäiseksi sulaksi reiän taakse, jonne se jähmettyy ja muodostaa hitsin. Lävistysreiän halkaisija on normaalisti 1–2 millimetriä.

Lävistävällä hitsauksella saadaan:

• hyvä tunkeuman hallinta
• jopa noin 8 mm läpihitsattavuus (tunkeuma) I-railossa.

(Lähde: Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus)

Jauhekaarihitsaus

Jauhekaarihitsausta.

Jauhekaarihitsaus (engl. Submerged Arc Welding (SAW)) on kaarihitsausprosessi, jossa valokaari palaa hitsausjauheen alla hitsattavan kappaleen ja lisäainelangan välillä. Hitsausjauhe suojaa hitsisulaa ilman vaikutukselta ja estää kipinöiden lentämisen ympäristöön. Jauhe sulaa hitsattaessa hitsin pinnalle kuonakerrokseksi, joka lopuksi jähmettyy kiinteäksi hitsin päällä. Joissakin sovelluksissa osa lisäaineesta tulee langan ohella jauheen joukossa olevasta metallijauheesta. Sulamatta jäänyt hitsausjauhe voidaan käyttää uudelleen. Jauhekaarihitsaus on tehokas prosessi. Hitsaus suoritetaan lähes aina vähintään osittain mekanisoidusti. Jauhekaarihitsausta käytetään paljon keskiraskaassa ja raskaassa konepajateollisuudessa sekä telakoilla. Hitsattavat ainepaksuudet ovat tyypillisesti 6–40 millimetriä. Parhaiten jauhekaarihitsaus soveltuu suurten aineenpaksuuksien ja pitkien hitsien hitsaamiseen. Tyypillisiä prosessin käyttökohteita ovat suurten levypalkkien pitkät liitokset ja isojen levyjen liittäminen.

Kaasukaarimuottihitsaus

(engl. Electro-Gas Welding (EGW))

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Kaarihitsaus Wikimedia Commonsissa