Mitä hitsaus on?

Hitsaus on materiaalien yhdistämisprosessi, jossa ne kuumennetaan sulamispisteeseen liitoskohdassa, jolloin syntyy vahva, murtumaton liitos. Liitosprosessi, joka varmistaa yhdistettävien osien materiaalien saumattoman rakenteen käyttäen lämpöä, painetta tai molempien yhdistelmää pysyvän liitoksen luomiseksi. Sitä käytetään laajasti monilla aloilla, kuten rakentamisessa, laivanrakennuksessa ja laivankorjauksessa, valmistuksessa eri aloilla, ajoneuvojen korjauksessa ja muissa.

Hitsauksen aikana materiaalit kuumennetaan sulamispisteeseen tai liitetään paineen avulla, ja jäähdytettynä ne muodostavat vakaan liitoksen. Joissain tapauksissa metallitäytettä käytetään myös liitoskohdan täyttämiseen.

Pääasialliset hitsaustyypit:

1. MMA / SMAW – Sähkökaarihitsaus elektrodeilla:

• Elektrodi sulaa ja metalli muodostaa sauman, kun taas pinnoitekaasut suojaavat hitsausaluetta ilmakehän vaikutuksilta. Suurin etu on hyvä tuotto pienillä sijoituksilla.
• Tätä teknologiaa käytetään laajasti raskaassa teollisuudessa sekä erilaisissa korjaus- ja huoltotöissä.

2. MIG / MAG (GMAW) – puoliautomaattinen hitsaus elektrodilankasuojakaasuilla – inertteillä (argon) tai aktiivisilla (hiilidioksidikaasuilla) – ympäristössä:

• Laajasti käytetty teräs-, ruostumattoman teräksen ja alumiinirakenteiden hitsaukseen.
• MIG (Metal Inert Gas) – käyttää inerttiä kaasua, kuten argonia.
• MAG (Metal Active Gas) – käyttää aktivoitua kaasua, kuten CO₂:ta tai seoksia.

3. TIG (GTAW) – Volframi-inerttikaasuhitsaus (TIG) on menetelmä, joka tunnetaan metallien tarkan liitoksen:

• Käytettiin volframielektrodeja kuuman kaaren luomiseen metallin sulattamista varten, toisin kuin perinteinen hitsaus.
• Käytän käsipoltinta ja suojakaasua, yleensä argonia.
• Sitä käytetään ruostumattoman teräksen, alumiinin, kuparin ja muiden ei-rautametallien hitsaukseen, joiden paksuus on 0,3 mm–4 mm.

4. PAW - Plasma-kaarihitsaus:

 Plasma-kaarihitsaus on monimutkainen kaarihitsaustekniikka, jossa metallien sulattamiseen ja yhdistämiseen käytetään tiivistettyä plasmasuihkua. Se kehitettiin saavutuksena verrattuna TIG-hitsaukseen ja tarjoaa paremman tarkkuuden ja hallinnan.

• Kun käytetään sähkökaarta lämmönlähteenä, plasmakaari aiheuttaa korkean lämpötilan, minkä seurauksena verhousmateriaali sulaa ja laskeutuu pohjamateriaalin päälle.
• Käytetään yleensä tapauksissa, joissa hitsatun sauman laatuvaatimukset ovat lisääntyneet, esimerkiksi korkeaseosterästen ja titaanin hitsauksessa.
• Ihanteellinen ohuille materiaaleille ja mikrohitsaukseen.

5. Kaasuhitsaus (Oxygas-hitsaus) tangoilla:

• Palavien kaasujen erityispiirteet määrittävät niiden käyttötarkoituksen.
• Kaasuhitsauksessa käytetään happea ja palamiskaasua, jotka tuottavat korkean lämpötilan ja hallitua liekkiä.
• Käytetään ei-seoksen ja vähäseosteräksen hitsauksessa.
• Kaasuhitsauksessa käytetään pääasiassa asetyleeniä ja puhdasta happea tai hajustettua happea
• Perinteinen menetelmä, jota käytetään edelleen putkikorjauksissa.

6. Vastushiitsaus (kontaktihitsaus) – tehokas ja nopea tapa yhdistää metalliosia, jossa materiaaleja kuumennetaan paikallisesti sähkövirralla ja lämmitetty alue puristetaan, jolloin saavutetaan muovinen tai sulanut tila:

• Autoteollisuus: Laajin sovellus – autojen runkojen, paneelien ja runkojen pistehitsaus massatuotannossa.
• Kodinkoneet: Jääkaappien, pesukoneiden, mikroaaltouunien ja muiden metallikoteloiden valmistus.
• Elektroniikka ja akut: Akun koskettimien liittäminen (esim. sähkötyökaluissa) ja tarkkojen osien kokoaminen.
• Hermetiset säiliöt: polttoainesäiliöiden, jäähdyttimien ja putkien valmistus saumahitsauksella.
• Metallirakenteet: Raudoitusverkon, ritilöiden ja aitojen valmistus sekä mutterien/ruuvien hitsaus levyihin.

7. Laserhitsaus – menetelmä, jossa laseria käytetään lämmönlähteenä. Sulata osa tai koko työkappaleen poikkileikkaus. Ja tietyissä olosuhteissa se kovettuu luodakseen orgaanisen hitsausmenetelmän.

• Periaatteena on käyttää lasersädettä lämmittämään työkappale sulaneeksi tilaksi, jolloin syntyy haihdutusreikiä tai sulatusaltaita.
• Käytetään pääasiassa ohuiden materiaalien ja tarkkojen osien hitsaamiseen.
• Käytetään tarkkoihin ja nopeisiin töihin teollisuudessa kuten auto- ja ilmailuteollisuudessa, lääketieteessä ja elektroniikassa, joissa tarvitaan visuaalisesti puhtaita, kestäviä saumoja ilman materiaalin lämpömuodonmuutosta

8. Ultraäänihitsaus – prosessi, jossa osat yhdistetään korkeataajuuksisilla (20–40 kHz) mekaanisilla värähtelyillä. Toisin kuin vastushitsauksessa, tässä lämpö syntyy molekyylien välisestä kitkasta, ei sähkövirrasta.

• Muoviosien liittäminen: Koteloiden, lelujen ja pakkausten nopea ja puhdas kokoaminen ilman liimaa tai ruuveja.

• Elektroniikka ja akut: Hienot johdot, sirut ja akun koskettimet yhdistävät ilman vaarallista ylikuumenemista.
• Lääketieteelliset ja hygieniatuotteet: Kasvomaskien, suodattimien ja steriilien pakkausten hermetinen valmistus korkeataajuuksisilla värähtelyillä.

Hitsaustyypin valinta riippuu seuraavista tekijöistä:

• Materiaalin tyyppi ja paksuus:

1. Vastushiitsaus on ihanteellinen teräslevyille (rungoille, koteloille).
2. Ultraäänihitsaus sopii parhaiten termoplasteille ja hyvin ohuille, ei-rautametalleille (folio, johdot).

• Tuotannon määrä ja nopeus:

1. Molemmat menetelmät on suunniteltu massatuotantoon. Jos on tarpeen valmistaa tuhansia osia tunnissa, valitaan täysin automatisoitu resistiivinen tai ultraäänilaite.

• Yhteysvaatimukset:

1. Jos suurille rakenteille vaaditaan mekaanista lujuutta, valitaan vastushhitsaus.
2. Jos tarvitaan puhtautta ja tarkkuutta (lääketiede, elektroniikka) tai tiiviys ilman materiaalin ylikuumenemista, valitaan ultraääni.

Materiaalien teknologinen hitsautuvuus ja liitoksen eheys määräytyvät niiden fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien perusteella, joissa faasisiirtymien metallurginen yhteensopivuus, lämpölaajenemiskertoimien ero ja hapettuskinetiikka ovat ratkaisevia, mikä vaikuttaa suoraan kiteytymishalkeamien muodostumisen riskiin ja jäännösjännitteiden pitoisuuteen saumassa. Lämmönjohtavuuden ja ominaisvastuksen vaihtelut määrittävät tarvittavan energiatiheyden paikalliseen sulamiseen, kun taas seosten kemiallinen heterogeenisyys voi muodostaa hauraita intermetallisia yhdisteitä, mikä merkittävästi rajoittaa perinteisten lämpöfuusioprosessien soveltuvuutta tiettyihin metalliyhdistelmiin.

Metallit, jotka voidaan hitsata –

Perinteisissä ja teollisissa hitsausprosesseissa metallit, joilla on hyvä teknologinen hitsauskyky, soveltuvat parhaiten, mikä takaa vakaan liitosasrakenteen ja minimoisen vikariskin.

Vähähiilisiä ja vähäseospitoisia teräksiä käytetään yleisimmin hitsaukseen, koska niillä on pieni halkeiluriski ja ennustettava lämpöreaktio. Teräkset, joissa on korkeampi hiilipitoisuus, vaativat esilämmitystä rakenteen haurauden estämiseksi. Ruostumaton teräs on hyvin hitsattavissa, mutta vaatii tarkan lämmönsaannin hallinnan, jotta sauman korroosionesto-ominaisuudet säilyvät.

Ei-rautametalleista alumiini ja sen seokset hitsataan useimmiten, vaikka ne vaativat erityisen suojakaasun ympäristön tai vaihtovirran oksidikerroksen tuhoamiseksi. Kupari ja sen seokset (esimerkiksi messinki) ovat hitsattavissa, mutta niiden korkea lämmönjohtavuus vaatii suuren energiapitoisuuden, kun taas titaani on hitsattavissa vain inertissä kaasuilmakehässä, jotta sen hauraus ei tule ilman vaikutuksesta.

1. Teräs - (hiili ja seos)):
   • Vähähiilinen teräs: Yleisimmin käytetty ja helpoimmin hitsattava tyyppi, jolla on erinomainen liitoslujuus ja pieni halkeamien riski.
   • Seosteräs: Vaatii erityistä lämpötilansäätöä (lämmitys ja hidas jäähdytys) estääkseen metallirakenteen haurastumisen.
   • Ruostumaton teräs: Hyvin hitsattava, mutta vaatii tarkkaa lämmönhallintaa osien muodonmuutoksen välttämiseksi ja korroosionestoominaisuuksien säilyttämiseksi.
2. Alumiini ja sen seokset:

• Oksidikerros: Pinta on päällystetty kiinteällä Al₂O₃-kalvolla, jonka sulamispiste on erittäin korkea (~2000°C), ja joka täytyy puhdistaa tai pestä vaihtovirralla (AC) ennen hitsaamista.
• Korkea lämmönjohtavuus: Alumiini poistaa lämpöä hitsausalueelta hyvin nopeasti, joten tarvitaan korkea energiatiheys ja usein koko osan esilämmitys.
• Huokoisuuden ja halkeamien riski: Materiaali on erittäin herkkä vedyleen ja epäpuhtauksille, jotka voivat aiheuttaa huokosia tai kuumia halkeamia jäähdytyksen aikana, joten erityisen puhdas suojakaasun (Argon) ympäristö on tarpeen.

3. Kupari ja pronssi:

• Äärimmäinen lämmönjohtavuus: Kupari johtaa lämpöä jopa 10 kertaa nopeammin kuin teräs, joten erittäin suuri virtateho ja usein koko osan esilämmitys (jopa 300–600°C) tarvitaan sulamisen saavuttamiseksi.
• Korkea juoksevuus: Sulassa tilassa kupari ja pronssi ovat hyvin nestemäisiä, mikä vaikeuttaa pystysaumojen tai yläpuolisten saumojen muodostamista, joten ne hitsataan yleensä vain vaakasuoraan asentoon.
• Kemiallinen aktiivisuus ja huokoset: Metalli reagoi helposti hapen ja vedyn kanssa muodostaen kaasukuplia (huokosia) jäähdytyksen aikana, joten tarvitaan korkeimman puhtausasteen suojakaasu (argoni tai helium).

4. Titaani:

• Kaasun imeytyminen ja hauraus: Titaani imee ilmasta happea, typpeä ja vetyä korkeissa lämpötiloissa (yli 430°C) "sienenä", mikä tekee hitsauksesta hauraan ja käyttökelvottoman.
• Ehdoton suojaus: Täydellinen inerttikaasun (yleensä argonin) suojaus vaaditaan, ei vain hitsausaltaalle, vaan myös sauman kuumalle pohjalle ja jo kiinteälle, mutta silti kuumalle saumalle.
• Pinnan steriiliteetti: Ennen prosessia on välttämätöntä poistaa kemiallinen tai mekaaninen oksidikerros sekä rasvaiset aineet (jopa sormenjäljet) sauman saastumisen ja huokoisuuden välttämiseksi.

5. Nikkeli ja sen seokset:

• Nikkelin ja sen seosten (esimerkiksi Monel, Inconel, Hastelloy) hitsaus on kriittistä kemian- ja ilmailuteollisuudessa niiden lämmönkestävyyden ja korroosionkestävyyden vuoksi.
• Matalan fuusion syvyyden hallinta: Nikkelisulatuskylpy on "nuupahtunut" (huonosti virtaava), mikä vaikeuttaa juurien täydellistä sulamista ja vaatii tarkkaa polttimen hallintaa.
• Kuumien halkeamien riski: Materiaali on herkkä rikin, fosforin ja lyijyn epäpuhtauksille, jotka aiheuttavat halkeilua jäähdytyksen aikana, joten ennen hitsausta vaaditaan steriiliä puhtautta.
• Lämpövaikutusalue: Nikkeliseokset ovat alttiita ylikuumenemiselle, mikä voi heikentää niiden korroosionkestävyyttä, joten hitsaus tulisi tehdä matalalla lämmönsyötteellä ja nopealla jäähdytyksellä.

6. Valurauta

• Lämpöhalkeilu: Nopean kuumennuksen tai jäähdytyksen aikana valurauta on yleensä halkeamassa, joten osa täytyy joko lämmittää 300–600°C:een ("kuumahitsaus") tai hitsata hyvin lyhyillä saumoilla, jotta metalli ei lämpene ("kylmähitsaus").
• Rakenteelliset muutokset: Hitsausalueen liian nopea jäähdytys luo "valkoisen valuraudan" – erittäin kovan ja hauraan kerroksen, jota ei voi käsitellä poralla tai jyrsinterällä.
• Erikoismateriaalit: Korkean nikkelipitoisuuden elektrodeja käytetään laadukkaan liitoksen luomiseksi, koska ne ovat muovisempia ja pystyvät absorboimaan metallin sisäiset jännitykset, estäen sauman katkeamista.

7. Magnesium ja sen seokset:

• Syttymisriski: Magnesiumlastut ja hienot hiukkaset voivat helposti syttyä, joten prosessi vaatii tiukkaa lämpötilan hallintaa ja steriiliä työympäristöä palovaaran välttämiseksi.
• Oksidikerros ja huokoisuus: Samoin kuin alumiinissa, magnesium on päällystetty oksidikalvolla, joka täytyy murskata vaihtovirralla (AC), mutta magnesium on vielä herkempi vedelle, mikä voi aiheuttaa merkittävää huokoisuutta jäähdytyksen aikana.
• Alhainen sulamispiste ja muodonmuutos: Koska magnesium sulaa suhteellisen matalissa lämpötiloissa (~650°C) ja sillä on korkea lämpölaajenemiskerroin, osat muotoutuvat hyvin nopeasti hitsauksen aikana tai voivat "kellua ulos" (sulaa läpi).

Metallit, joita on vaikea tai mahdotonta hitsata –

Metallien hitsaaminen on yleensä vaikeaa niiden kemiallisten ominaisuuksien, korkean lämmönjohtavuuden tai hapettumisen vuoksi. Hitsausvaikeudet määräytyvät useiden tekijöiden yhdistelmän perusteella, kuten materiaalin ominaisuuksien, yhteisen suunnittelun, hitsausympäristön ja prosessivaatimusten perusteella.

1. Galvanoitu teräs:

• Sinkki haihtuu hitsauksen aikana (haihdunut sinkki aiheuttaa kuplia hitsauskylpyyn)
• Hitsattavissa, mutta sinkkipinnoite päästää myrkyllisiä höyryjä, mikä tekee työstä vaarallista, joten ilmanvaihto ja suojaus ovat tarpeen.

2. Päähenkilö:

• Lyijy sulaa jo ~327 °C:ssa, joten hitsauksen aikana se ylikuumenee nopeasti ja muuttuu vaikeaksi hallita: sulaa helposti, muoto on vaikea säilyttää, hitsausprosessi epävakaa
• Lyijy on hyvin pehmeä metalli, joten hitsauskohta ei ole tarpeeksi vahva: helposti muotoutuva, heikkolujuus, liitos ei ole kestävä. Yleensä käytetään juottamisessa, ei hitsauksessa.
• Lyijyä heitettäessä vapautuu haitallisia höyryjä, jotka voivat johtaa lyijymyrkytykseen: vaarallisessa hengityksessä tarvitaan ilmanvaihtoa, suojavarusteita on käytettävä

3. Volframit:

• Volframi sulaa ~3422 °C:ssa, mikä on yksi korkeimmista metalleista: vaaditaan erittäin korkea lämpötila, tasaisen sulamisen varmistaminen on vaikeaa, vaatii erityisiä laitteita.
• Volframi on kova, mutta myös hauras metalli: se halkeilee helposti hitsauksen aikana, kestää huonosti lämpöjännityksiä ja vaatii lämmitystä.
• Korkeissa lämpötiloissa volframi hapettuu helposti: oksideja muodostuu, jotka vahingoittavat saumaa, ja tarvitaan suojaavaa kaasua (esimerkiksi argonia).

4. Sinkki ja sen seokset:

• Sinkki sulaa ~419 °C:ssa ja alkaa kiehua jo ~907 °C:ssa.  Se haihtuu nopeasti hitsauksen aikana, mikä vaikeuttaa prosessin hallintaa, minkä seurauksena muodostuu kaasuja ja vikoja.
• Haihdutettu sinkki muodostaa kuplia hitsausaltaassa, minkä seurauksena huokoset muodostuvat, lujuus heikkenee ja halkeamat lisääntyvät.
• Kun hitsataan sinkkiä tai sen seoksia, syntyy haitallisia höyryjä, jotka voivat aiheuttaa metallisavun kuumetta ja vaarallista hengitystä.

5. Muovistuneet ja huokoiset metallit (esim. jokin seosyhdistelmä):

• Plastisoituneet ja huokoiset metallit (esimerkiksi erilaiset seokset) eivät usein ole yhtenäisiä koostumukseltaan. Yhdellä materiaalilla sulamispisteet vaihtelevat, ja sulaminen on epätasaista, mikä vaikeuttaa laadukkaan sauman saamista.
• Rakenteen huokoisuuden vuoksi hitsauksessa kertyy kaasua sekä aukkoja ja reikiä, jotka heikentävät mekaanista lujuutta.
• Muovitetut materiaalit voivat muuttaa ominaisuuksiaan lämpötilan vaikutuksesta. Ne deformoituvat hitsauksen aikana, jännite muodostuu ja jäähtymisen jälkeen on suuri halkeamien riski.

6. Kromi puhtaassa muodossaan:

• Kromi sulaa ~1907 °C:ssa, joten hitsaus vaatii erittäin korkean lämpötilan, mikä vaikeuttaa materiaalin tasaista sulattamista ja vaikeuttaa prosessia.
• Puhdas kromi on kova mutta hauras metalli, joten hitsauksen aikana se halkeilee helposti ja kestää huonosti lämpöjännitykset, joita syntyy lämmitys- ja jäähdytysprosessissa.
• Hitsauksen aikana kromi reagoi hapen kanssa ja muodostaa oksideja, mikä heikentää sauman laatua, joten suojakaasua tarvitaan vikojen muodostumisen vähentämiseksi.

7. Korkeahiiliset metallit:

• Korkean hiilipitoisuuden metallit (esimerkiksi korkeahiiliteräkset) ovat erittäin herkkiä halkeamille hitsauksen aikana, koska jyrkkä lämpötilan muutos aiheuttaa sisäisiä jännityksiä.
• Korkea hiilipitoisuus edistää kiinteän ja hauraan rakenteen muodostumista jäähdytyksen jälkeen, mikä heikentää materiaalin vastustuskykyä kuormia vastaan.
• Tällaisten metallien hitsaus vaatii erityiskäsittelyä, kuten esilämmitystä ja hallittua jäähdytystä, jotta vikojen riski vähenee.

Mikä vaikuttaa hitsauksen todennäköisyyteen?

• Hapettuminen: Jotkut metallit, kuten alumiini ja titaani, hapettuvat hyvin nopeasti; Korkeissa lämpötiloissa niiden pinnalle muodostuu vakaa oksidikerros, joka häiritsee metallien sitoutumista ja voi muodostaa huonolaatuisen sauman, joka vaatii pinnan perusteellista puhdistusta ja suojaavaa kaasua.
• Lämmönjohtavuus: Korkean lämmönjohtavuuden omaavat metallit, kuten kupari, hajottavat nopeasti hitsausalueelta lämpöä; Tämä vaikeuttaa vaaditun lämpötilan saavuttamista ja ylläpitämistä, lisää energiankulutusta ja voi johtaa riittämättömään sulamiseen.
• Metalliseokset: Jotkut seokset voivat olla yhteensopimattomia keskenään; Erilaiset sulamispisteet, kemiallinen koostumus ja rakenne voivat johtaa epätasaiseen sulamiseen, hauraiden faasien tai halkeamien muodostumiseen, mikä heikentää hitsauksen lujuutta ja laatua merkittävästi.