A.1 Kaarihitsauksen perusteet

Transcription

A.1 Kaarihitsauksen perusteet
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
1
A.1 Kaarihitsauksen perusteet
A.1.1 Sähköopin perusteet
Mitä on sähkö?
Aineen perusrakenne koostuu atomeista, jotka ovat erittäin pieniä. Atomiin kuuluu ydin ja sitä ympäröivä elektroniverho, jossa elektronit kiertävät ydintä määrätyillä kuorilla. Ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja sähköttömistä neutroneista. Nykyisen käsityksen mukaan protonit ja neutronit koostuvat edelleen pienemmistä rakenneosista. Ydintä kiertävät elektronit ovat sähköisesti negatiivisesti varautuneita. Tavallisesti atomilla on sama lukumäärä protoneja ja elektroneja. Tällöin esimerkkiset varaukset kumoavat toistensa vaikutukset ja atomi vaikuttaa ulospäin sähköttömältä eli neutraalilta.
Jos sähköisesti neutraaliin atomiin tuodaan ylimääräinen elektroni, atomin sähköinen tasapaino
järkkyy ja atomista tulee negatiivisesti varautunut ioni. Ulospäin atomi vaikuttaa negatiivisesti varautuneelta. Jos atomista poistuu elektroni, tulee atomista positiivisesti varautunut, koska siihen jää
yksi protoni enemmän.
Sähkövirta on elektronien virtaa miinusnavasta plusnapaan. Elektronivirran sijasta sähkön kulkua
kuvataan sähkövirralla, jonka kulkusuunta on aikoinaan kuitenkin sovittu vastakkaisesti eli sähkölähteen plusnavasta miinusnapaan. Elektronivirran syntymisen edellytyksenä on elektroneihin kohdistuva sähköinen voima ja elektronien liikkumisen mahdollistava johdeaine. Tätä voimavaikutusta
kutsutaan jännitteeksi. Virran syntyminen edellyttää siis jännitteen olemassaoloa. Tarvitaan esimerkiksi sähkölähde, joka saa elektronit virtaamaan virtapiirissä negatiivisesta navasta positiiviseen napaan. Hitsaustekniikassa sitä kutsutaan hitsausvirtalähteeksi, jota käsitellään erikseen
kohdassa A.2 (Hitsauslaitteet).
Sähkövirran generoiminen
Sähköenergia tuotetaan yleensä sähkögeneraattorilla. Generaattorin käyttövoimana voi olla erilaisia laitteita, vesivoimalaitoksessa toimii vesiturbiini, joka muuttaa veden virtausenergian käyttöenergiaksi. Lämpövoimalaitoksessa ja atomivoimalaitoksessa lämpöenergia (öljystä, kivihiilestä,
kaasusta, uraanista) muutetaan höyryn ja höyryturbiinin avulla generaattorin käyttövoimaksi. Luonnonkaasua käytetään myös suoraan kaasuturbiinin käyttövoimana pyörittämään generaattoreita.
Tuulivoima on uusi energialähde jota ollaan kehittämässä. Aurinkoenergiaa ei Suomessa pystytä
käyttämään suuremmissa määrissä, se soveltuu lähinnä pieniin, eristettyihin kohteisiin (esim. saaristoon), eräisiin huipputekniikan tarpeisiin avaruudessa.
Sähkötekniikan perussuureet
Sähkötekniikan kolme tärkeintä perussuuretta ovat virta, jännite ja resistanssi eli vastus.
Sähkövirran tunnuksena käytetään kirjainta / ja sen yksikkö on ampeeri (A). Virran voimakkuus
ilmaistaan siis ampeereina (A).
Sähkövirran kulku edellyttää jännitettä, jonka tunnuksena käytetään kirjainta U. Jännitteen yksikkö
on voltti (V).
Ominaisuutta, jolla aine vastustaa sähkövirran kulkua, nimitetään resistanssiksi eli vastukseksi.
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
2
Resistanssin tunnus on R ja yksikkö on ohmi. Mitä pienempi resistanssin arvo on, sitä suurempi
virta pääsee kulkemaan johtimen läpi.
Eri aineet johtavat sähköä eri tavalla, koska vapaiden elektronien määrä ja niiden mahdollisuus
liikkua aineissa vaihtelevat. Eri aineiden sähkönjohtavuuden vertailuun käytetään suuretta nimeltä
resistiivisyys. Resistiivisyys ilmaisee, kuinka suuri resistanssi on määrätyn kokoisella kappaleella.
Resistiivisyyden yksikkö on  mm2/m ja suuretunnus kreikkalainen kirjain  (roo). Mitä pienempi
aineen resistiivisyyden arvo on, sitä parempi sähkönjohdin se on. Kuparin resistiivisyyden arvo on
0,0175  mm2/m. alumiinin 0,028 ja teräksen 0,10.
Aineiden sähkönjohtokyvyn ilmaisemiseen käytetään resistiivisyyden rinnalla sen käänteisarvoa,
jota nimitetään johtavuudeksi eli konduktiivisuudeksi. Tunnus on kreikkalainen kirjain  (gamma) ja
yksikkö on m/ mm2. Hopean sähkönjohtavuus on suurin eli 62 m/ mm2. Seuraavana tulee kupari, jonka sähkönjohtavuus on 57. Se on noin kuusinkertainen verrattuna teräkseen, jonka johtavuuden arvo on 10.
Näiden sähkötekniikan perussuureiden, virran, jännitteen vastuksen, välillä on seuraava yhteys,
jota kutsutaan Ohmin laiksi:
I=
U
R
U= IxR
R=
U
I
=
(V)
(A)
()
Teho on tuttu käsite fysiikasta. Se määritellään aikayksikössä tehdyksi työksi. Tehon tunnus on P
ja yksikkö watti (W):
P=
työ W
aika t
ja tehon yksikkö on:
P=
(Ws)
(s)
(W) eli
(J)
(s)
(J/s)
Tehon yksikkö watti vastaa myös yksikköä joule per sekunti eli newtonmetri per sekunti
1 (W) = 1
(J)
(s)
=1
(Nm)
(s)
Sähkötehon P yksikkö on myös watti (W). Usein käytetään myös tuhat kertaa suurempaa yksikköä
kilowatti (kW). Teho on tasavirralla jännitteen ja virran tulo:
P = U(V) x /(A) = (V) x (A) = (W)
Vaihtovirralla laskentakaava on hiukan erilainen.
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
3
Fysiikassa työllä tarkoitetaan energian muuttumista muodosta toiseen. Energia merkitsee myös
kykyä tehdä työtä. Energian ja työn tunnus on W ja yksikkö joule (J). Energia voi esiintyä mm. liikeenergiana, kemiallisena energiana ja sähköenergiana ja lämpöenergiana. Sähköenergia on sähkön
tekemä työmäärä tietyssä ajassa tietyllä teholla. Yksikkönä on wattisekunti (Ws) eli työmäärä, jonka sähkö tekee yhden watin teholla yhdessä sekunnissa:
W = /(A) x U(V) x t(s)
eli
P(W) x t(s) = (W) x (s) = (Ws)
Tämä energian yksikkö vastaa myös yksikköä joule (J) ja newtonmetri (Nm):
1 (Ws) = 1 (J) = 1 (Nm)
Hitsauksessa käytetään myös termejä hitsausenergia, kaarienergia ja lämmöntuonti kuvaamaan
valokaaren tuottamaa lämpömäärää, ks. kohdat 1.14 (Hitsausenergia ja lämmöntuonti) ja 2.3.3
(Valokaaren lämpötilat ja lämpöenergia). Hitsausenergia eli kaarienergia tarkoittaa näissä kohdissa
hitsausenergiaa ilmaistuna hitsin pituusyksikköä kohti eli kJ/mm:
Hitsausenergia =
hitsausvirta (A) x kaarijänni te (V)
1000 x hitsausnop eus (mm/s)
(kJ/mm)
Hitsausvirta voi olla tasa- tai vaihtovirtaa. Tasavirta on koko ajan saman suuntainen ja napaisuus
on vakio. Tasavirran lyhenteenä käytetään usein englanninkielistä lyhennettä DC (direct current).
Tasavirta voi olla myös sykkivää eli pulssivirtaa.
Vaihtovirran suunta vaihtelee koko ajan.
Virta vaihtaa suuntaansa tietyin väliajoin,
jonka vaihteluväliä kutsutaan jaksoksi.
Taajuudella tarkoitetaan jaksojen lukumäärää sekunnissa. Yleisimmin käytetyn
vaihtovirran taajuus on 50 Hz (hertsi =
jaksoa/sekunti). Vaihtovirrasta käytetään
yleisesti myös sen englanninkielistä lyhennettä AC
(alternating current). Yleensä vaihtovirran
muoto on sinimuotoista, mutta usein nykyaikaisissa hitsauksen vaihtovirtalähteissä suorakaideaalto.
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
4
Hitsausvirtapiiri
Kaarihitsaus perustuu sähkövirran käyttöön
valokaaren aikaansaamiseen, jolla tuotetaan
tarvittava hitsauslämpö. Hitsausvirtapiirin
osat ovat virtalähde, hitsauskaapeli,
elektrodi/hitsauslisäaine, valokaari, työkappale ja maadoituskaapeli, ks. kuva.
Hitsausvirtalähde on energialähde, joka
muuttaa sähköverkosta otetun sähkön hitsaukseen sopivaksi. Hitsausvirtalähteen napojen välillä on napajännite. Kun virtapiiri sulkeutuu, niin virta alkaa kulkea. Kaarihitsaukselle on ominaista suuri virta ja pieni jännite.
Hitsausvirtapiirin jokainen osa aiheuttaa sähköistä vastusta virtapiiriin: kaapelit, liittimet, työkappale, elektrodi/lisäaine ja valokaari. Tästä syntyy jännitehäviöitä, mistä syystä jännite virtalähteen
navoissa on suurempi kuin valokaaressa. Vastuksen suuruus riippuu mm. osan materiaalista, pituudesta ja poikkipinta-alasta.
Hitsauksessa joudutaan usein mittaamaan virta ja jännite, koska monissa hitsaustöissä käytetään
hitsausohjetta eli WPS. Siinä on annettu käytettävät virta- ja jännitearvot. Hitsauksen menetelmäkokeen suorituksesta mitataan ja kirjataan myös nämä hitsauksen sähköiset arvot, jotka tulevat
myöhemmin laadittavan hitsausohjeen pohjaksi. Hitsausvirran ja jännitteen mittausta on käsitelty
enemmän kohdassa A.7 (Hitsausparametrien tarkistus).
Kaapelien pituudet
Kaapelien aiheuttamat häviöt ilmenevät niiden lämpenemisenä. Häviöt ovat sitä suurempia, mitä
pidempiä kaapelit ovat, mitä pienempi niiden poikkipinta-ala on ja mitä suurempi virta on, ks. kuva.
Kuparikaapelien jännitehäviöitä. Pituus tarkoittaa hitsauskaapelin ja maadoituskaapelin yhteenlaskettua pituutta. Poikkipinta-alat: 35-90 mm2.
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
5
Tarvittava poikkipinta-ala A voidaan laskea myös kaavasta:
A=
I xL
Uxρ
(mm2)
I = hitsausvirta (A)
L = kaapelien pituus (m)
U = jännitehäviö (V)
 = sähkönjohtavuus (m/ mm2)
Kaapelin koon valinta riippuu suurimmasta hitsausvirrasta ja hitsauskoneen käyttösuhteesta, ks.
taulukko.
Hitsauskaapelien kuormitettavuus. Enimmäisvirta.
Kaapelin
poikkipinta-ala
2
Käyttösuhde
mm
100 %
85 %
60 %
35 %
16
135
145
175
230
25
180
195
230
300
35
225
245
290
375
50
285
305
365
480
70
355
385
460
600
95
430
470
560
730
120
500
540
650
850
A.1.2 Valokaari
Mikä valokaari on?
Kaarihitsauksessa muutetaan sähköenergia hitsauksessa tarvittavaksi lämmöksi valokaaren avulla. Valokaarella pystytään tuottamaan riittävän korkeita lämpötiloja ja lämpömääriä kaikkien materiaalien sulattamiseen. Koska valokaaren tehotiheys on suuri ja se on helppo aikaansaada, se on
yleisin ja myös tärkein energialähde hitsauksessa. Valokaari on kaasussa tapahtuva sähköpurkaus, joka edellyttää kaarivälissä olevan riittävästi sähköisesti varautuneita hiukkasia.
Sanastostandardi SFS 3054 käyttää valokaaren sijasta hitsauksen yhteydessä lyhyempää muotoa
kaari. Standardin määritelmän mukaan "kaari on sähköinen valokaari hitsausta varten".
Jos jännitteisessä virtapiirissä navat ovat hiukan toisistaan erillään, niin virta ei kulje ilmavälin kautta, koska ilma johtaa huonosti sähköä. Tietyillä edellytyksillä voidaan kuitenkin saada virta kulkemaan siinä. Tämä voi tapahtua, jos ilmaväli on hyvin kapea ja jännite riittävän korkea sekä lisäksi
ilmaväli on tehty sähköä johtavaksi eli ionisoitu.
Ilmassa on aina kuitenkin vähän sähköä johtavia hiukkasia, vaikka se on muuten huonosti sähköä
johtava. Kun ne joutuvat hitsausvirtapiirin sähkökenttään, niin ne liikkuvat kohti vastakkaista napaa.
Negatiivisesti varautuneet hiukkaset eli elektronit kulkevat kohti plusnapaa eli anodia ja positiivisesti varautuneet hiukkaset eli ionit kohti miinusnapaa eli katodia.
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
6
Elektronien liike-energia riippuu vallitsevasta jännitteestä. Ne törmäävät liikkuessaan kohti anodia
kaasumolekyyleihin, joiden elektroninen tasapaino häiriintyy ja ne hajoavat atomeiksi. Tätä kutsutaan dissosiaatioksi. Törmäyksessä atomien kehältä irtoaa elektroneja, joista osa kulkiessaan
kohti anodia törmää jälleen uusiin kaasuatomeihin. Näin prosessi jatkuu. Jäljelle jääneet atomit
eivät ole enää neutraaleja, vaan ne omistavat positiivisen varauksen. Nämä ionit liikkuvat puolestaan kohti katodia. Ilmavälissä napojen väliseen sähkökenttään syntyy voimakas elektronien,
ionien ja neutraalien atomien virta, ks. kuva. Tätä kaasun tulemista sähköä johtavaksi kutsutaan
ionisoitumiseksi, minkä tuloksena virta alkaa kulkea hitsausvirtapiirin valokaaressa.
Lisäksi metallikappale lähettää myös elektroneja, jotka
ympäröivät metallia ohuena verhona eli elektronipilvenä.
Sähkökentän vaikutuksesta ne liikkuvat kohti anodia
edellyttäen, että rajapinnassa ylitetään kullekin metallille
ominainen potentiaalivalli, jonka yksikkönä on elektronivoltti.
Ylitys edellyttää joko korkeata lämpötilaa, voimakasta
sähkökenttää tai säteilytystä.
Anodilla ja katodilla elektronien ja ionien liike-energia
muuttuu törmäyksessä lämmöksi.
Kaarihitsauksessa voidaan erottaa kaksi erityyppistä valokaarta:
valokaari sulamattoman elektrodin ja työkappaleen välillä:
- TIG- ja plasmahitsaus
valokaari lisäaineen ja työkappaleen välillä:
- puikko-, MIG/MAG-, jauhekaari- ja kaasukaarimuottihitsaus.
Virran kulku valokaaressa elektrodi
kytkettynä miinusnapaan
Valokaaren pituus eli kaaripituus vaihtelee suuresti prosessi- ja hitsausarvokohtaisesti. Se on tyypillisesti noin 1-10 mm. Esimerkiksi MAG-hitsauksessa 1,0 mm:n langalla ja seoskaasulla valokaaren pituus on eräiden mittausten mukaan noin 1-2 mm, kun hitsausvirta on 50-150 A, ja noin 2-4
mm, kun virta on 200-280 A. Todennäköisesti kaaripituus on käytännössä hiukan pidempi, koska
valokuvauksella ei saada näkyviin aina koko pituutta. Osa siitä on piilossa hitsisulassa olevassa
painumassa.
Valokaaren sytytys
Valokaari voidaan sytyttää koskettamalla virtaa johtavalla lisäaineella eli hitsauspuikolla tai hitsauslangalla tahi elektrodilla työkappaletta. Tätä kutsutaan ns. oikosulkusytytykseksi. Se voidaan sytyttää myös erillisen sytytyslaitteen avulla ilman kosketusta, mitä kutsutaan ns. kipinäsytytykseksi.
Edellistä tapaa käytetään puikkohitsauksessa, MIG/MAG-hitsauksessa, jauhekaarihitsauksessa ja
joskus myös TIG-hitsauksessa. TIG-hitsauksessa käytetään kuitenkin yleensä kipinäsytytystä.
Virtaa johtavan lisäaineen koskettaessa työkappaletta hitsausvirtapiirissä tapahtuu oikosulku. Kosketuskohdassa syntyy paikallisesti erittäin suuria virtatiheyksiä, koska kosketuspinta on hyvin pieni.
Tämä aiheuttaa voimakasta vastuskuumenemista ja sulamista sekä sulan metallin ylikuumenemista. Tästä syntyy metallihöyryjä, jotka ionisoituvat helposti. Kuuma katodipinta alkaa lähettää elektroneja. Oikosulkuhetkellä jännite putoaa erittäin lyhyeksi ajaksi lähes nollaan. Oikosulun jälkeen
täytyy lisäainetta nostaa hieman ylöspäin, jolloin valokaari syttyy.
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
7
Kosketussytytystä ei yleensä käytetä, kun toisena napana on sulamaton volframielektrodi, kuten on
esimerkiksi TIG-hitsauksessa. Silloin tarvitaan erityinen sytytyslaite ionisoimaan kaariväli, jotta valokaari syttyisi ilman elektrodin ja työkappaleen välistä kosketusta, koska elektrodi vaurioituu muuten herkästi. Sytytyslaitteita on toimintaperiaatteiltaan lähinnä kahta tyyppiä, vanhempi suurtaajuuslaite ja uudempi pulssigeneraattori. Pulssigeneraattori tuottaa napojen väliin lyhytkestoisen
jännitekipinän, joka iskiessään elektrodista työkappaleeseen ionisoi kaarivälin kaasun ja valokaari
syttyy. Kipinäjännitteen suuruus on 5-10 kV ja kesto joitakin mikrosekunteja. Sytytyslaite kytkeytyy
pois päältä itsestään, kun valokaari on syttynyt.
Vaihtovirran taajuus on normaalisti 50 Hz eli hertsiä. Virran suunta muuttuu koko ajan, yhden sekunnin aikana 100 kertaa. Vaihtovirtavalokaari eroaa oleellisesti tasavirtavalokaaresta, koska valokaari sammuu jokaisen vaihtovirran puolijakson lopussa. Jotta saataisiin aikaan käyttökelpoinen
vakaa vaihtovirtavalokaari, on kaari saatava syttymänä kahdesti joka jakson aikana.
Uudelleensyttyminen on mahdollinen, jos kaariväli on riittävästi ionisoitunut. Puikkohitsauksessa
tähän riittää, että virtalähteen tyhjäkäyntijännite on riittävän suuri ja puikon päällyste sopivaa tyyppiä. Puhtaat emäspuikot, joiden päällysteessä on runsaasti vaikeasti ionisoituvia fluoriyhdisteitä,
eivät täytä yleensä tätä edellytystä ja eivät siten sovi yleensä hitsattavaksi vaihtovirralla. Suorakaideaaltovirtalähteellä emäspuikot ovat kuitenkin hitsattavissa paremmin. Emäspuikoissa on myös
vaihtovirralla hitsattavia laatuja, joiden päällysteeseen on lisätty myös helpommin ionisoituvia aineita.
Alumiinin TIG-hitsauksessa vaihtovirralla käytetään kaaren sytyttämiseen sytytyslaitetta, joka antaa
suurjännitteistä kipinää. Jos nollakohdan ylitys on kuitenkin riittävän nopea, voi kaaren uudelleensyttyminen tapahtua myös ilman kipinää. Tällainen ominaisuus on monissa nykyaikaisissa virtalähteissä, joissa vaihtovirran muoto on suorakaideaalto.
A.1.3 Valokaari lämmönlähteenä
Lämpötila on valokaaressa anodilla eli plusnavassa korkeampi kuin katodilla eli miinusnavassa,
koska anodit kuumenee enemmän suurella nopeudella liikkuvien elektronien törmätessä siihen ja
koska katodilla kuluu osa tehosta elektroniemission synnyttämiseen. Anodin ja katodin lämpötilat
riippuvat mm. kaarityypistä, suojakaasusta ja päällystetyypistä. Niiden lämpötilat ovat noin 2 500 3 500 oC. Anodin eli plusnavan lämpötila on yleensä noin 500 oC korkeampi kuin katodin eli miinusnavan. Tämä koskee sulamattoman elektrodin ja työkappaleen välillä palavaa valokaarta. Kun
toisena napana on sulava lisäaine, niin tilanne voi olla toinen.
Valokaaren ytimen lämpötila on yleensä huomattavasti korkeampi kuin napojen lämpötila. Valokaaren ytimen lämpötila on puikkohitsauksessa noin 5 000 - 6 000 oC, jauhekaarihitsauksessa luokkaa
6 000 oC, MIG-hitsauksessa yli 8 000 oC, TIG-hitsauksessa noin 10 000 - 30 000 oC ja plasmahitsauksessa yli 20 000 oC. Kaasuhitsauksessa kaasuliekin lämpötila on kuumimmassa kohtaa vain
vähän yli 3 000 oC.
Teräksen hitsisulan pintalämpötila on riippuen mm. prosessista ja suojakaasusta noin 1 600 - 2
200 oC. Sulan metallipisaran lämpötila on hiukan korkeampi, noin 2 000 - 2 600 oC. Pisaran lämpötila riippuu mm. hitsausprosessista, lisäaineesta, suojakaasusta, napaisuudesta, hitsausarvoista ja
langanhalkaisijasta. Lämpötiloille ei löydy mitään tarkkoja lukuarvoja, koska ne riippuvat monesta
tekijästä ja lisäksi niiden mittaaminen on melko vaikea tehtävä. Teräksen valmistuksessa lämpötilat
sulatusuunissa ovat matalampia, noin 1 600 oC. Näitä lämpötiloja voidaan verrata esimerkiksi raudan ja seostamattoman teräksen arvoihin. Raudan sulamispiste on 1 535 oC ja kiehumispiste on 2
750 oC. Seostamattoman teräksen sulamisalue on 1 490 - 1 520 oC. Lämpötila valokaaressa ylittää
raudan kiehumispisteen. Tämä aiheuttaa myös osittain aineen höyrystymistä, mikä synnyttää puolestaan huuruja.
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
8
Metallin aika sulassa tilassa riippuu mm. hitsisulan koosta, joka riippuu puolestaan mm. hitsausprosessista ja hitsausenergiasta. Se on yleensä luokkaa 1- 10 s.
A.1.4 Valokaaren teho
Kaarihitsauksessa lasketaan hitsausvirran I ja kaarijännitteen U avulla teho eli kaariteho seuraavasti:
P = I x U(W)
Tällä ilmaistaan tuotettua lämpötehoa. Sen avulla lasketaan yleensä hitsausenergia eli kaarienergia, joka ilmaistaan hitsin pituusyksikköä kohti. Tämä lasketaan seuraavasti:
E=
I xU
1000 x v
(kJ/mm)
A = hitsausvirta (A)
U = kaarijännite (V)
v = hitsausnopeus (mm/s)
Koko kaariteho ja kaarienergia ei suinkaan siirry lämpöenergiana hitsiin, vaan osa menee mm.
säteilynä, johtumina ja roiskeina ympäristöön sekä kuluu suojakaasun lämmittämiseen ja
TIG-hitsauksessa elektrodin kuumenemiseen. Hitsiin siirtyvän lämpöenergian ja hitsauksen sähköisistä arvoista lasketun kaarienergian suhdetta nimitetään termiseksi hyötysuhteeksi.
Standardin SFS-EN 1011 mukaan terminen
hyötysuhde MIG/MAG- ja puikkohitsauksessa
on 80 % ja TIG-hitsauksessa 60 %. Se on
MIG/MAG-hitsauksessa selvästi korkeampi kuin
TIG-hitsauksessa, koska lisäainelanka sulaa ja
pisaroiden mukana siirtyy myös paljon lämpöä
hitsisulaan. TIG-hitsauksessa energiaa kuluu
myös elektrodin kuumenemiseen.
Lämpöteho jakaantuu esimerkiksi puikkohitsauksessa eri kohteisiin, ks. kuva.
Lämpöteho puikkohitsauksessa
A.1.5 Hitsien perussanasto
Hitsauksen yhteydessä sulassa tilassa ollut aine kutsutaan hitsiaineeksi. Yksinomaan lisäaineesta
muodostunut hitsiaine kutsutaan puhtaaksi hitsiaineeksi.
Hitsiaine, joka muodostuu yhdellä kerralla hitsattaessa työkappaleen päästä päähän kutsutaan
paloksi. Yhden tai useamman vierekkäisen palon muodostama hitsiainekerros kutsutaan palkokerrokseksi. Palkojärjestyksellä tarkoitetaan järjestys, jossa palot hitsataan. Ensimmäinen railoon hitsattu palko monipalkohitsissä kutsutaan pohjapaloksi. Palko, joka jää hitsin pintaan kutsutaan pintapaloksi. Pohjapalon ja pintapalon väliset palot ovat välipalkoja.
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
9
Hitsillä on kaksi puolta, juuren puoli ja pinnan puoli. Hitsin juurella tarkoitetaan aluetta päinvastaisella kuin mistä hitsaaminen on tapahtunut. Se osa hitsiainetta, joka ylittää perusaineen kutsutaan
kuvuksi. Juuren puolella se kutsutaan juuren kuvuksi.
Hitsin ja perusaineen liittymäviiva kappaleen pinnassa kutsutaan hitsin rajaviivaksi.
Se osa perusainetta, joka on sulanut hitsauksen
aikana kutsutaan sulamisvyöhykkeeksi. Sulamisvyöhykkeen paksuus railon kyljestä mitattuna kutsutaan sulatunkeumaksi (1). Yhdellä hitsauskerralla aikaansaatu sulamisvyöhykkeen
syvyys kutsutaan sulamissyvyydeksi (3).
Hitsin paksuus railon kohdalla mitattuna perusaineen pinnan tasosta kutsutaan hitsautumissyvyydeksi (2).
2,3
A.1.6 Hitsausprosessit
Yleistä
Hitsausprosessit ryhmitellään kahteen ryhmään:
- Puristushitsaus: Hitsaus, jossa hitsi saadaan aikaan puristamalla osien liitospinnat toisiinsa
mahdollisesti kuumennusta käyttäen.
- Sulahitsaus: Hitsaus, jossa hitsi saadaan aikaan ilman puristusta sulattamalla osien liitospinnat
käyttäen tai käyttämättä lisäainetta.
Standardissa SFS-EN ISO 4063, jossa annetaan numerotunnukset hitsausprosesseille. Siinä on
yksittäisiä hitsausprosesseja noin 70 kappaletta.
Tärkein ja laajin prosessiryhmä on kaarihitsaus, jossa käytetään valokaarta hitsauslämmön
lähteenä. Tavallisimmat kaarihitsausprosessit ovat puikkohitsaus (numerotunnus 111), MIG/MAGhitsaus (numerotunnus 13) ja TIG-hitsaus (numerotunnus 141).
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
10
Puikkohitsaus
Puikkohitsaus on metallikaarihitsausta hitsauspuikolla ilman ulkoista suojaa hitsaustapahtumalle.
Valokaari palaa puikon pään ja hitsisulan (työkappaleen) välillä. Sydänlanka sulaa ja sula metalli
siirtyy pisaroina hitsisulaan. Tämän lisäksi siirtyy metallia vielä höyryn muodossa. Puikon päällyste
sulaa hieman jäljessä sydänlangasta ja siitä syntyvät kaasut ja nestemäinen kuona suojaavat
hitsaustapahtumaa. Kuona jähmettyy hitsin päälle kiinteäksi kerrostumaksi, joka muotoilee hitsin ja
estää sen hapettumista. Kuona poistetaan hitsin pinnalta jälkeenpäin.
MIG/MAG-hitsaus
MIG/MAG-hitsaus on kaasukaarihitsausprosessi, jossa valokaari palaa suojakaasun ympäröimänä
hitsauslangan ja hitsisulan (työkappaleen) välillä.
Sula metalli siirtyy pisaroina
langan kärjestä hitsisulaan.
Hitsauslankaa syötetään
koneellisesti
langansyöttölaitteen avulla
tasaisella nopeudella.
Hitsausvirta tulee virtalähteestä
monitoimijohdossa kulkevaa
virtajohdinta myöten
hitsauspistoolin
kosketusuuttimeen, jossa se
siirtyy hitsauslankaan.
Suojakaasu suojaa kaaritilaa ja
hitsisulaa ympäröivältä ilmalta.
MAG tulee sanoista Metal Activ Gas ja tarkoittaa, että kaasu osallistuu aktiivisesti hitsaustapahtumaan ja antaa mm. paremman tunkeuman. Yksi aktiivikaasu on hiilidioksidi (CO2)
MIG tulee sanoista Metal Inert Gas ja tarkoitaa, että kaasu ei osallistu mitenkään hitsaustapahtumaan. Ainoa tehtävä on suojata hitsiä. Näitä jalokaasuja ovat Argon (Ar) ja Helium (He).
Heti kun kaasu sisältää pienenkin osan aktiivista kaasua, kysymyksessä on MAG-hitsaus.
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
11
TIG-hitsaus
Volframikaasukaarihitsaus eli TIG-hitsaus on kaasukaarihitsausprosessi, jossa valokaari palaa
sulamattoman volframielektrodin ja hitsisulan (työkappaleen) välillä suojakaasussa. Ilman pääsy
hitsisulaan estää inertti suojakaasu, jona käytetään argonia tai heliumia. Suojakaasu suojaa myös
kuuman elektrodin kärjen hapettumiselta. Valokaari sulattaa työkappaletta hitsauskohdan alueelta,
johon muodostuu näin hitsisula. Käsinhitsauksessa tuodaan erikseen lisäainetta toisella kädellä
hitsisulaan. TIG-valokaarella voidaan myös lämmittää ja hitsata pelkästään sulattamalla
perusainetta tuomatta siihen lisäainetta.
A.1.7 Hitsausaineet
Puikkohitsaus
Hitsauspuikot
Hitsauspuikon muodostavat sydänlanka ja päällyste.
Puikon halkaisija
Merkki
Päällyste – Rautajauhe, Kalkki,
Selluloosa jne.
OK 48.05
Sydänlanka
- Kiinnityspää
Sydänlanka on metallia, se voi olla, esim.:
 seostamatonta terästä
 niukkaseosteista terästä
 ruostumatonta terästä
 nikkeliä
 kuparia
 pronssia
 alumiinia
 valurautaa
 SHY
Kärki - joissakin puikoissa
grafiittia helpottamassa sytytystä
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
12
Puikkojen koko ilmoitetaan mm:eissä sydänlangan halkaisijan mukaan. Käytettyjä halkaisijoita ovat
1.6, 2.0, 2.5, 3.2, 4.0, 5.0, 6.0 ja 7.0. Puikon pituus on sovitettu sydänlangan ja päällysteen virran
kestävyyden mukaa. Seuraavia pituuksia käytetään: 300, 350 ja 450 mm.
Puikon päitä nimitetään varreksi ja kärjeksi. Eräissä puikoissa kärki voi olla grafiittipäällystettä sytytyksen helpottamiseksi.
Päällyste koostuu erilaisista mineraaleista, kuten kalkkikivestä, rutiilihiekasta, maasälvästä, piistä
ym. Eräissä tapauksissa myös rautaa tai muita metallipulvereita on sekoituksessa.
Sideaineina käytetään liisteriä ja vesilasia.
MIG/MAG-hitsaus
Lisäaine
MIG/MAG hitsauksessa käytettään lisäaineena umpilankaa tai täytelankaa.
Lisäaine toimii kuten puikkohitsauksessakin virranjohtimena.
Umpilanka voi koostua eri metalleista tai seoksista ja tavallisimmat metallit/seokset MIG/MAG hitsauksessa ovat:
 seostamaton teräs
 niukkaseosteinen teräs
 ruostumaton teräs
 kupari
 pronssi
 alumiini
Langan mitat ilmoitetaan mm:ssä halkaisijan mukaan. Umpilankojen halkaisijat ovat: Ø 0.6, 0.8,
1.0, 1.2, 1.4, ja 1.6 mm ja täytelankojen 1.2, 1.4, 1.6, 2.0 ja 2.4 mm.
Lankojen pituudet riippuvat rullien/kelojen koosta. 15 kg:n kela, jossa on Ø 0.8 mm:n lankaa sisältää noin 2500 metriä lankaa.
Täytelangassa voi olla erilaisia täytteitä, kuten jauhetäyte tai metallitäyte.
Suojakaasu
Hitsausprosessin suojaamiseksi haitallisilta ilmassa esiintyviltä komponenteilta tarvitaan suojakaasu. Se voi olla inertti tai aktiivi kaasu tai useamman kaasun yhdistelmä.
Tavallisimmin käytetyt kaasut ovat Argon (Ar) ja Hiilidioksidi (CO2) tai näiden seos.
Toinen MIG hitsauksessa käytetty inertti kaasu on Helium (He).
Muistettava: MIG/MAG-hitsauksessa suojakaasun tehtävänä on estää ilman/ympäristökaasujen
pääsy hitsausprosessiin. Se ei poista työkappaleella olevia epäpuhtauksia.
TIG-hitsaus
Lisäaine
TIG-hitsauksessa käytetään määrämittaisia lisäainelankoja (hitsaussauvoja). Ne valmistetaan
valssilangasta vetämällä, katkomalla ja oikaisemalla. Langat syötetään käsin, eivätkä näin olle
toimi virranjohtimina. Mekanisoidussa TIG-hitsauksessa voidaan käyttää lisäaineena kelalla olevaa
hitsauslankaa.
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
13
Hitsauslanka on yleensä umpinaista, mutta markkinoille on myös tulossa täytelankoja.
Hitsauslankojen mitat on esitetty standardissa SFS-EN 759. Tavanomaisin pituus on 1000 mm.
Yleisimmät halkaisijat ovat 1.6, 2.0, 2.4 ja 3.0 mm.
Suojakaasu
TIG-hitsauksessa volframielektrodin kestävyys rajoittaa suojakaasuvaihtoehdot inertteihin
kaasuihin (argon ja helium).
Argon on yleisimmin käytetty suojakaasu. Sillä on hyvät hitsaustekniset ominaisuudet: hyvä
suojausvaikutus, vakaa valokaari (myös vaihtovirralla) ja helppo valokaaren syttyminen. Se on
painavampi kaasu kuin helium. Heliumille on ominaista argonia korkeampi kaarijännite ja siitä
johtuva suurempi hitsausenergia ja tunkeuma. Ominaisuutta voidaan hyödyntää suurempana
hitsausnopeutena ja pienempänä esikuumennustarpeena hyvin lämpöä johtavilla materiaaleilla,
esim. alumiini ja kupari.
A.1.8 Aineensiirtyminen, hitsiaine
MIG/MAG-hitsaus
Aineensiirtyminen valokaaressa
Nykyaikaisilla hitsauslaitteilla aineensiirtyminen langasta sulaan tapahtuu pääasiallisesti kahdella
eri tavalla:
 lyhytkaarella
 kuumakaarella
Lyhytkaarihitsaukselle on ominaista, että langan kärkeen muodostuu pisara. Kun pisara on saavuttanut oikean koon, se kuristuu ja imeytyy sulaan. Pisaran koko riippuu sähköpiirin induktanssista.
Kuumakaarihitsauksessa sovelletaan huomattavasti suurempia parametriarvoja (virta / jännite / induktanssi). Tästä seuraa, ettei muodostu
pisaraa, vaan sula materia siirtyy pienten pisaroiden muodostaman
suihkun muodossa.
Sekakaarialueeksi kutsutaan aluetta, joka sijaitsee lyhytkaari- ja
kuumakaarialueiden välissä. Tälle alueelle on tunnusomaista epästabiili valokaari, jossa esiintyy isoja, epäsäännöllisiä, oikosulkuja aiheuttavia pisaroita. Sekakaarialueella suoritettu hitsaus aiheuttaa paljon
hitsausroisketta eikä sitä tavallisesti suositella.
 SHY
Hitsauksen teoriaopetus
A1 Kaarihitsauksen perusteet
14
Pulssikaarihitsaus voidaan yksinkertaistettuna kuvata lyhytkaari- ja kuumakaari hitsauksen sekoituksena. Se säädetään siten, että parametrit vaihtelevat suurien arvojen (jolloin lisäaine sulaa ”irti”)
ja pienten arvojen (jolloin pelkästään valokaari palaa) välillä. Tällä tavalla hitsaaja saa sulan paremmin hallintaansa.
Prosessia ohjaa suuri määrä parametrejä, jotka ovat hyvin vaikeasti ”käsin” asetettavissa. Tähän
tarvitaan mikroprosessori, joka voi sovittaa yhteen kaikki vaadittavat parametrit.
Edellä mainittujen prosessien lisäksi on käytössä vielä kaksi, pääosin mekanisoitua kaarihitsausprosessien muunnoksia, jotka on kehitetty tehokkuuden lisäämiseksi.
TIG-hitsaus
Käsivaraisessa TIG-hitsauksessa lisäaine tuodaan käsin. Hyvän hitsin aikaan saamiseksi on tärkeätä, että kulma elektrodin ja lisäaineen välillä on oikea. Lisäaine tuodaan hitsauksessa suoraan
hitsisulan etureunaan (ei päälle).
Lisäaineeseen tulee oksideja jos lisäaine joutuu kaasusuojauksen ulkopuolelle. Tällä on erityistä
haittaa hitsattaessa ruostumatonta terästä, alumiinia ja titaania, jolloin syntyy oksidisulkeumia.
A.1.9 Hitsisulan muotoilu
Hitsisulalla tarkoitetaan hitsauksen aikana sulassa tilassa oleva aine ennen hitsin jäähtymistä.
 SHY