Hitsaus

Jo muinaisten egyptiläisten haudoista on löydetty esineitä ja astioita, joiden osia on liitetty toisiinsa hopeajuotoksella. Nämä juotokset ovat ensimmäisiä tunnettuja metallien yhteenliitoksia. Myös hitsaus on vanha liitosmenetelmä. On muun muassa löydetty miekkoja, joiden kovempi teräosa on liitetty ahjohitsauksella pehmeämpään runko-osaan. 1800-luvulla kehitettiin muunkinlaista liittämistä; venäläinen Nikolai Bernados kehitti vuonna 1882 niin kutsutun hiilikaarihitsauksen, jossa kahden elektrodin välille synnytetyn valokaaren avulla saatiin metalli sulamaan liitosta varten. Menetelmää käytettiin kappaleiden liittämiseen niittaamisen ohella.^[3] 1900-luvulla on kehitetty menetelmät, jotka ovat johtaneet nykyaikaisen hitsauksen kehittymiseen.

Hitsaussuoja on suomalainen keksintö. Hitsaussuojan patentoivat 26. Maaliskuuta 1986 Eero Laitinen, Terho Heikki Torvinen ja Esko Hämäläinen^[4].

Sulahitsausmenetelmissä lisä- ja perusaine sulavat ja liittyvät toisiinsa sulana ja jähmettyvät jäähtyessään lopulliseen muotoonsa. Hitsisulan synnyttämiseen tarvittava lämpö tuotetaan valokaaren, kaasuliekin tai kemiallisen reaktion avulla. Sulahitsausprosesseissa hitsataan lähes aina käyttäen lisäainetta, joka täyttää hitsausrailon yhdessä railon reunoilta sulaneen perusaineen kanssa.

Pääartikkeli: Kaarihitsaus

Kaarihitsaus menetelmiä ovat MIG/MAG-, TIG-, puikko-, plasma-, jauhekaari- ja kaasukaarimuottihitsaus. Kaarihitsauksen etuja ovat menetelmästä riippuen laitteiston edullisuus, saatavuus ja siirrettävyys. Kaarihitsauksella voidaan hitsata kaikkia tärkeimpiä metalleja. Kaarihitsauksella saavutetaan suhteellisen pieni lämmöntuonti ja kapea hitsi.

Pääartikkeli: Sädehitsaus

Sädehitsaus tarkoittaa suurienergiaisen säteen synnyttämän lämmön avulla tehtävää hitsausta. Hitsauksessa käytetään elektronisuihkua tai lasersäteitä. Näiden hitsausmenetelmien etuina on pieni lämmöntuonti ja siten vähäiset hitsausjännitykset ja muodonmuutokset. Toisaalta kapeaksi muodostuva hitsi vaatii tarkkaa railonvalmistusta ja säteen suuntausta ja lisäksi sädehitsaukseen tarvittavat laitteet ovat kalliita. Tavanomaisen ainoastaan sulattavan hitsauksen lisäksi hitsausta voidaan tehdä lävistävänä hitsauksena, säteen avulla saavutettavan suuren energiatiheyden ansiosta. Lävistävän hitsauksen avulla voidaan hitsata suuria ainevahvuuksia railon kuitenkin pysyessä kapeana. Erityisesti elektronisuihkuhitsauksella päästään suureen tunkeumaan. Sädehitsaus tapahtuu käytännössä aina tietokoneohjatuilla laitteilla ja hitsaustilan ympärillä on suojukset, jotka estävät säteiden pääsyn työympäristöön.

 

Kaasuhitsauksessa hitsattavan aineen sulattamiseen tarvittava lämpö saadaan aikaan kaasuliekillä. Kaasuliekin toinen tehtävä on suojata hitsiä ilman hapettavalta vaikutukselta. Useimmiten palavana kaasuna käytetään asetyleenia, johon hitsauspolttimessa sekoitetaan happea palamisen tehostamiseksi. Kaasuliekistä tulee kuumempi, kun palamista tehostetaan puhtaan hapen avulla.

Kaasuhitsauksessa tarvitaan kaasupulloja, paineensäätimet, takaisku- ja takatulisuojat, letkut, hitsauspilli ja lisäainelankaa sekä asian mukaiset suojavarusteet.

 

Termiittihitsausta käytetään vielä nykyisinkin ratakiskoja toisiinsa liitettäessä. Termiittihitsaus kuuluu valusulahitsausmenetelmiin, jossa liitettävät osat valetaan kiinni toisiinsa. Menetelmässä sekoitetaan rautaoksidia (hematiittia) ja alumiinijauhetta toisiinsa ja seos sytytetään. Reaktio kestää 15–25 sekuntia, jonka jälkeen tuloksena on sulaa terästä, jota suojaa sula alumiinikuona. Reaktio tapahtuu hitsausrailossa, jonka kyljet sulavat osaksi hitsiä. Jotta varmistutaan sulan ja perusaineen (tässä kiskojen päät) yhtenäisestä liitoksesta, esilämmitetään perusaine hitsin läheltä n. 1 000 °C:een.

Pääartikkeli: Vastushitsaus

Vastushitsauksessa sähkövirta johdetaan kahden elektrodin avulla liitettävän kohdan läpi. Liitettävät kappaleet kuumenevat ja ne puristetaan voimakkaasti toisiaan vasten liitoskohdasta. Liittyminen tapahtuu liitoskohtien ollessa tahdasmaisessa tilassa. Vastushitsausta käytetään useimmiten ohutlevyjen hitsauksessa. Vastushitsauksen avulla on nopeaa ja vaivatonta liittää esim. auton korin tai sähkölaitteiden runkojen ohutlevyosia yhteen. Vastushitsausmenetelmiä ovat piste-, käsnä-, kiekko-, leimu- ja tyssähitsaus.

Ahjohitsaus tunnetaan myös nimellä pajahitsaus. Se on vanhin tunnettu hitsausmenetelmä. Ahjohitsauksessa metallikappaleet kuumennetaan ahjossa ja taotaan yhteen. Hitsauslämpötila on kuitenkin tavallista taontalämpötilaa huomattavasti korkeampi, tyypillisesti 50–90 prosenttia kappaleiden sulamislämpötilasta.

Kitkahitsausta käytetään perinteisesti esim. akselien ja tankojen liittämiseen. Tarvittava lämpö saadaan aikaan puristamalla liitospintoja vastakkain ja pyörittämällä niitä toisiinsa nähden. Pehmeäksi kuumenneet liitospinnat hitsautuvat yhteen, kun ne puristetaan voimakkaasti vastakkain. Kitkahitsaus on kiinteän tilan hitsausta, eli liitettävät materiaalit eivät sula hitsauksen aikana.

Vuonna 1994 patentoitiin uusi kitkahitsausprosessi, kitkahitsaus pyörivällä työkalulla tai kitkatappihitsaus.^[5] Muut nimet ovat FS-hitsaus tai FSW-hitsaus, engl. Friction Stir Welding) .

 

Tässä hitsauksessa pyörivä työkalu, jossa on profiloitu kärkiosa, pyörii ja tunkeutuu hitaasti kahden liitettävän kappaleen väliseen railoon. Liitettävien kappaleiden on oltava tiukasti toisiaan vasten, sillä railon paikka ei saa muuttua hitsauksen aikana. Hitsauslämpö syntyy kulutusta kestävän työkalun ja hitsattavien kappaleiden välisestä kitkalämmöstä sekä erityisesti hitsattavien kappaleiden voimakkaassa plastisessa muokkauksessa syntyvästä muodonmuutoslämmöstä. Kappaleet pehmenevät, mutta eivät sula. Liittyminen tapahtuu kiinteän tilan diffuusion vaikutuksesta työkalun ja vastimen välisessä, paineen ja lämpötilan alaisessa materiaalissa (kuva). Liitos jäähtyy työkalun takana ja muodostaa hitsin.

Etuina mainitaan muun muassa seuraavia asioita: ei lisäainetta eikä suojakaasua, helppo railonvalmistus, monipuoliset liitosten toteutusmahdollisuudet, olemattomat vetelyt (hitsausmuodonmuutokset), erinomaiset liitosten ominaisuudet, hyvä mittatarkkuus, työympäristöystävällisyys, toistettavuus ja soveltuvuus sarjatuotantoon.

Kitkahitsaus soveltuu erityisesti pehmeiden materiaalien kuten alumiinin ja kuparin hitsaukseen. Eniten sitä sovelletaan alumiinin hitsaukseen, esimerkiksi pursotteiden liittämiseen toisiinsa suurempien paneelien valmistuksessa. Muita hitsattuja alumiinituotteita ovat kotelot, vanteet, säiliöt ja rungot.

Tyypillinen yhdellä palolla hitsattava aineenpaksuus on noin 2–20 millimetriä. Paksumpia levyjä voidaan hitsata kahdella palolla, palko kummallekin puolelle. Ohuimmat menetelmällä hitsatut aineenpaksuudet ovat olleet 0,3 mm ja paksuimmat yhdellä palolla hitsatut aineenpaksuudet 50 mm.

Räjähdyshitsauksessa liitetään levyjä toisiinsa räjähdyksen aiheuttaman paineen avulla. Räjähdyshitsauksen avulla voidaan valmistaa myös eripariliitoksia, kuten teräs-alumiini.

Ultraäänihitsauksessa hyödynnetään pituussuuntaisia, ultraäänialueella värähteleviä aaltoja, joiden avulla energia siirretään hitsiin. Ultraääni tuotetaan pietsosähköilmiöön perustuvalla PZT-värähtelijällä, johon johdetaan korkeataajuista sähköä taajuusmuuttajasta. Syntynyt mekaaninen värähtely aiheuttaa hitsauspintojen nopean kuumenemisen. Sen ja kappaleisiin kohdistetun puristusvoiman johdosta kappaleiden liitospintojen materiaali sulaa ja saavutetaan yhtenäinen hitsi, jolla on usein sama lujuus kuin perusmateriaalilla. Ultraäänihitsausta voidaan käyttää muovien, keraamien ja metallien hitsaukseen. Menetelmä soveltuu myös eri sulamislämpötilan omaavien metallien liittämiseen. Tyypilliset sovellukset ovat sähkö- ja elektroniikkateollisuuden komponentit.

Muovien ultraäänihitsaus soveltuu parhaiten termoplastisille muovilaaduille. Tyypillisimpiä ultraäänihitsauksen käyttäjiä ovat elektroniikka-, auto- ja pakkausteollisuus sekä leikkikaluvalmistajat.

Tyypillisimpiä hitsattavia muoveja ovat polyeteeni (PE), polypropeeni (PP). Muovia hitsattaessa kappaleet (ja mahdollinen täyteaine) lämmitetään ensin tiettyyn, muovityypille ominaiseen hitsauslämpöön. Hitsautuminen tapahtuu materiaalin jäähtyessä hitsauspaineen alaisena.

Puskuhitsauksessa kaksi muovikappaletta (tyypillisesti putkea) hitsataan yhteen kuumentamalla ensin puhdistettuja putken päitä kuumaa levyä vasten ja painamalla ne välittömästi yhteen. Hitsauspaine pidetään yllä tavallisesti hydraulisesti. Puskuhitsausta käytetään esim. pitkien vesijohtoputkien liittämiseen osista työmaalla. Puskuhitsattavat putket voivat olla melko paksujakin (esim. 800 mm), jolloin hitsaukseen käytettävät paineet ja puristusajat ovat vastaavasti pitkiä.

Kuumailmahitsauksessa muovikappaleita kiinnitetään yhteen kuumentamalla niitä kuumalla ilmalla ja syöttämällä kuumennettuun kohtaan täyteainelankaa. Kuumailmahitsausta käytetään esim. kaukolämpöputkien ulkokuorien (tyypillisesti polyeteeniä) korjaus- ja liitostöissä.

Ekstruuderihitsauksessa muovikappaleita kiinnitetään yhteen kuten kuumailmahitsauksessa, mutta hitsauslangan sijaan täyteaine on ekstruuderilaitteen muodostamaa täyteainemassaa. Ekstruuderit tekevät täyteainemassan tavallisesti hitsauslangasta, joskus myös muovigranulaatista. Ekstruuderilla saadaan aikaan paksumpaa hitsaussaumaa kuin kuumailmahitsauksella.

Hybridihitsauksella ymmärretään kahden tai useamman hitsausprosessin yhdistämistä samaan prosessiin.

Tässä yhdistyvät syvä tunkeuma ja tehokas lisäaineen tuotto. MIG-laser-hybridihitsausta on VTT:llä tutkittu useita vuosia ja sitä käytetään esim. telakoiden levylinjoilla ja autoteollisuudessa. Se soveltuu keskipaksujen materiaalien konepajahitsaukseen.

Putkenvalmistuksessa käytetään yleisesti TIG-plasmapolttimia. Plasmalla saadaan laserin tapaan hyvä tunkeuma ja TIG-päällä esikuumennetaan tai jälkitasoitetaan plasmahitsiä.

Tämä muistuttaa hybridihitsausta, mutta tässä on useampia saman hitsausprosessin polttimia kytketty peräkkäin. Tandem-MIG/MAG-hitsaus ja jauhekaari tandem ovat tyypillisiä esimerkkejä. Putkenvalmistuksessa käytetään TIG-trikatodipolttimia eli siinä on kytketty esim. kolme TIG-poltinta peräkkäin.

 

CNC (engl. Computerized Numerical Control, Tietokoneistettu numeerinen ohjaus)-ohjattu hitsaus.

Robotteja on kahta lajia: nivelvarsi- ja portaalityyppisiä. Nivelvarsirobotti muistuttaa usein ihmiskäsivartta ja sen päähän on liitetty varsinainen hitsausväline. Hitsausroboteilla suoritetaan usein MIG/MAG-, piste- tai laserhitsausta. Hitsausrobotteja käytetään muun muassa autoteollisuudessa autonkorin piste- ja laserhitsauksessa.

Nykyisin hitsauksen automatisoinnin kehittäminen on tärkein tekijä tuottavuuden parantamisessa. Automatisoinnin kannalta tärkeimpiä ovat hitsauksen toistettavuus ja tasainen laatu. Tekijöiden taustalla on monia parametrejä, jotka on sovitettava kulloiseenkin hitsaustapahtumaan.

Hitsauksessa on mahdollista käyttää myös robottia avustajana. Tällöin robotti käsittelee hitsattavaa työkappaletta tuoden hitsattavan railon hitsarin ulottuville ja hitsauksen jälkeen pinoaa osavalmiin kappaleen edelleen lähetettäväksi. Tällainen joustava yhteistyö on myös mahdollista tehokkuuden parantamista haettaessa.

Pääartikkeli: Työturvallisuus

Hitsaajalla on useita terveysriskejä. Hitsatessa käsitellään kuumia kappaleita, jotka voivat aiheuttaa vakaviakin palovammoja. Niiltä voidaan välttyä noudattamalla huolellisuutta, sekä käyttämällä nahkakäsineitä ja muita suojavaatteita. Hitsauspaikalla lentää usein kipinöitä, joilta on syytä suojautua niin mukavuuden kuin turvallisuudenkin vuoksi. Korvaan tai silmään päässyt kipinä voi pahimmillaan aiheuttaa näön tai kuulon menetyksen. Valokaari synnyttää kirkkaan valon ja lähettää UV-säteilyä. Näistä syistä hitsaajan varusteisiin kuuluvat maski, jossa on tummennettu lasi ja ihoa UV-säteilyltä suojaavat vaatteet. Vaatteiden on oltava heikosti syttyvää, sulamatonta materiaalia, mikä sulkee useimmat tekokuidut pois. Vaatteiden on suojattava myös UV-säteilyltä. Erilaiset hyvin lämpöä johtavat korut tai kellot voivat aiheuttaa palovammoja kuumetesaan jouduttuaan kosketuksiin hitsausroiskeiden tai hitsisauman kanssa.

Hitsatessa syntyy mitä erilaisimpia kaasuja. Kaasut voivat olla lähtöisin hitsattavasta materiaalista, hitsauslisäaineista tai hitsattavien kappaleiden epäpuhtauksista. Kaasujen hengittäminen voi aiheuttaa muun muassa erilaisia hengityselinoireita tai metallikuumeen. Tämän vuoksi hitsatessa on syytä huolehtia hyvästä ilmanvaihdosta. Usein hitsauskohteen lähelle järjestetään tehokas imuri. Joskus on syytä käyttää jopa raitisilmamaskia, ylipaineista kasvosuojusta, johon johdetaan puhdasta ilmaa.

Hitsatessa käytetään usein sähköä, mikä aiheuttaa työturvallisuusriskin. Suuret virrat aiheuttavat myös voimakkaita magneettikenttiä, mitä on epäilty syyksi siihen, että hitsareilla ja muilla työssään magneettikentille altistuvilla on tavallista suurempi riski sairastua ALS-tautiin^[6].

Vialliset hitsauslaiteet ovat myös vaaratekijä. Suomessa on tapahtunut useita kuolemantapauksia, joissa viottuneissa tai väärissä olosuhteissa käytetyissä hitsauskojeissa on muodostunut vaarallinen jännite elektrodien välille. Erityisesti ESABin Bantam - tunnettu myös ns. lepakkomuuntajana (Bantam - Batman) on surullisenkuuluisa vaurioitumaan siten, että verkkojännite voi päästä hitsauselektrodiin. Myös vuotava kaasu tai kaasupullon pettäminen voi aiheuttaa vakavan onnettomuuden.

Hitsaustyöt ovat tulitöitä, joita varten tarvitaan tulityölupa, jos niitä ei suoriteta asianmukaisella tulityöpaikalla.

Erilaisia hitsausasentoja ovat: jalkoasento, vaaka-asento, lakiasento, pystyasento ylöspäin, pystyasento alaspäin, alapiena-asento, yläpiena-asento. Hitsatessa putkia erilaisia asentoja ovat: pyörivä vaakaputki (jalkoasento), kiinteä pystyputki (vaaka-asento), kiinteä vaakaputki (pystyasento ylöspäin), kiinteä vaakaputki (pystyasento alaspäin), kalteva putki(pystyasento ylöspäin), pyörivä vaakaputki (alapiena-asento), pyörivä vaakaputki (alapiena-asento), kiinteä pystyputki (alapienaasento), kiinteä pystyputki (yläpiena-asento), kiinteä vaakaputki (pystyasento ylöspäin), kiinteä vaakaputki (pystyasento alaspäin). Yleisin hitsausasento on jalkoasento, jossa hitsaaja on liitettävän sauman yläpuolella ja katsoo alaspäin. Jalkoasento on nopein ja turvallisin hitsausasento. ^[7]

• Hitsaaja
• Kovajuottaminen
• Kemppi, hitsauslaitevalmistaja

• Antero Kyröläinen ja Juha Lukkari: Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. Helsinki: MET, 2002. ISBN 951-817-794-5
• Lepola, Pertti; Makkonen, Matti: Hitsaustekniikat ja teräsrakenteet. Helsinki: WSOY, 2005. ISBN 978-951-0-27158-2