Koneinsinöörin hitsaustekniikan perusteita

Oma kokemukseni rajoittuu hitsauksessa lähinnä sähkötöissä tekemiini led-nauhavalaistuksen kytkennän kolvauksiin, joten joudun turvautumaan kirjallisuuteen hitsauksen kanssa. Hitsausliitos tai kansan kielellä hitsisauma tai hitsiliitos on kahden tai useamman yleensä metallisen kappaleen liittämistä yhteen. Sähkövirran ja lämmön avulla yleensä puikolla tuodaan sulaan liitospintaan soveltuvaa lisäainetta. Perusaineen ja lisäaineen jäähtyessä ne muodostavat jämäkän liitoksen. Hitsaaminen on aina luvanvaraista toimintaa ja sen laadunvalvonta vaatii pätevyyksiä, joten jos olet hitsaaja, on sinulla varmasti siitä etuja koneinsinöörin työssä. Hitsausprosessi muuttaa aina hitsattavan materiaalin kiderakennetta, joten sillä on vaikutusta rakenteen lujuusominaisuuksiin. Käydään seuraavaksi läpi yleisempiä menetelmiä ja pieni katsaus niiden suunnittelemiseen.

MIG/MAG-hitsausmenetelmässä syötetään puikon avulla lisäainelankaa vakionopeudella hitsauskohtaan, jolloin kärjen ja aineen välissä valokaari sulattaa lisä- ja perusainetta. MIG/MAG-hitsaus muodostaa haitallisia kemiallisia reaktioita ja sen takia sen kanssa on käytettävä suojauskaasua. Suojauskaasu voi olla joko inerttinen tai aktiivinen ja tulevat hitsauksen nimestä Metal Inert Gas eli MIG ja Metal Active Gas eli MAG. MIG suojakaasu sisältää jalokaasuja, kuten argonia tai argonin ja heliumin kaasuseoksia ja sitä käytetään ei rautametallien, kuten alumiinin, titaanin ja kuparin hitsaamiseen. MAG suojakaasu koostuu hiilidioksidin ja argonin kaasuseoksesta tai argonin ja hapen kaasuseoksesta, jonka osuuksista argon on yleensä suurempi. MAG-hitsausta käytetään terästen hitsaamiseen. MIG/MAG-hitsaus on hyvä, koska sillä voidaan lisäaineen syötön takia hitsata missä asennossa vaan ja lisäaine on edullista. Eri hitsausmenetelmien käyttöastetta ei ole tutkittu laajemmin, mutta sitä on tutkittu lisäainelangan kuluttamisen kautta, jolloin tutkimustulokseen ei voi sisällyttää hitsausmenetelmiä jotka eivät käytä lisäainelankaa. Vuonna 2012 Suomessa n. 45% lisäainelangankulutuksesta on MIG/MAG ja TIG hitsauksessa käytetty, mutta näistä MIG/MAG-hitsaus on yleisin menetelmä.

TIG-hitsauksessa valokaari palaa ja sulattaa perusainetta sulamattoman volframielektrodin ja työkappaleen välissä ja prosessia suojaa inerttinen suojakaasu. TIG tulee sanoista Tungsten Inert Gas. Tungsten on englantia ja suomeksi käännettynä se tarkoittaa volframia, joka on metallinen alkuaine. Sana tung juontuu myös ruotsin kielestä sanasta tung = painava. TIG-hitsauksen etu on sen sulamaton elektrodi, kun muissa kaarihitsausprosesseissa lisäainelanka ja puikko toimivat sulavina elektrodeina. TIG-hitsausta käytetään paljon alumiinin hitsauksessa, mutta sitä voi myös käyttää kaikissa metalleissa, kuten titaanin tai titaaniseoksen hitsaamisessa. Käyttötarkoituksia on ohuiden aineenpaksuuksien, lyhyiden hitsien, putkien hitsauksissa ja paikoissa joissa tarvitaan hitsille hyvä ulkonäöllinen jälki. Huonoja puolia TIG-hitsauksessa on hitaus suurien railojen täyttämisessä ja sillä on suhteellisen suuri lämmöntuonti mikä aiheuttaa työkappaleelle muodonmuutoksia. Suojakaasun aineina käytetään TIG-hitsauksessa argonia, argon-helium-seosta tai heliumia. TIG-hitsaus soveltuu kaikkiin hitsausasentoihin ja se on helppo mekanisoida ja automatisoida.

Suunnittelemisen kannalta on hyvä tietää hitsauksen termistöä, piirrosmerkkejä ja hitsauksen vaikutusta hitsattavaan rakenteeseen. HAMK:n kirjastosta löysin luettavakseni Juha Lukkarin kirjoittaman Alumiinit ja niiden hitsaus -kirjan, jossa käsitellään alumiinin hitsausta. Kirjassa on selostettuna hyvin myös yleisimpiä menetelmiä ja hyvin yksityiskohtaista tietoa alumiininhitsaamisesta, alumiiniseoksista, hitsaustuotannosta, hitsausvirheistä jne. menemättä kuitenkaan liian teknilliseen tietoon, koska kirja on kirjoitettu myös muille kuin insinööreille luettavaksi. Se soveltuu esimerkiksi hyväksi lähdemateriaaliksi HAMK:n hitsaustekniikan ryhmätöiden tekemiseen. Kirja luonnehtii termin ”hitsattavuus” seuraavanlaisesti:

Hitsattavuus on sitä parempi, mitä vähemmän huomiota joudutaan kiinnittämään materiaalitekijöihin laadittaessa valmistusta varten hitsausohjeita, mm. esipuhdistukset, esikuummennus, vähimmäislämmöntuonti, enimmäislämmöntuonti, erityinen kaasusuojaus, jälkilämpökäsittely, erityinen puhtaus jne.

Lukkari, J. (2001). Alumiinit ja niiden hitsaus. Tammerpaino Oy, Tampere, 2001.

Toinen kirja, jonka hain luettavaksi Hämeenlinnan pääkirjastosta on Pertti Lepolan ja Risto Ylikankaan Hitsaustekniikka ja Teräsrakenteet (on myös HAMK:n kirjastossa saatavilla). Kirja keskittyy enimmäkseen itse hitsaajan työhön liittyviin tehtäviin ja kaluston huoltamiseen. Kirjan loppuosassa kerrotaan myös suunnittelusta ja hitsauksen vaikutuksista teräsrakenteisiin, joita pidän relevanttina koneinsinöörille. Suunnittelutyön periaatteisiin ja nyrkkisäännöiksi kirjassa on paljon lueteltuna SFS-standardeja, joita voi sitten opiskelijana HAMK:n SFS-online-tietokannasta käydä lukemassa. Ohessa pari esimerkkiä standardeista:

• SFS 2373 Staattisesti (tasaisesti) kuormitettujen teräsrakenteiden hitsausliitosten mitoitus ja lujuuslaskenta
• SFS-EN 1993-1-9/AC (korvaa 2378:n) Väsyttävästi (dynaamisesti) kuormitettujen hitsausliitosten mitoitus ja lujuuslaskenta

Lepola, P. & Ylikangas, R. (2017). Hitsaustekniikka ja Teräsrakenteet. Sanoma Pro Oy.

Hitsaus termistöä:

A-mitta on pienahitsin sisään piirretyn tasakylkisen kolmion korkeus, jonka kyljet yhtyvät railon kylkiin.

Viskositeetti on suure, joka kuvaa fluidin kykyä vastustaa virtaamista

Fluidi on yleisnimi nesteille, kaasuille ja plasmalle

WPS on hitsausohje

Hiiliekvivalentti on teräksen kemiallisesta koostumuksesta laskettava arvo, joka on tärkeä hitsattavuuden kannalta.