Erojen laatikko

Hitsaus on yksi nopea ja luotettava liitostekniikka, joka on lähes korvannut muut pysyvät liitosprosessit. Se voidaan määritellä yhdeksi liitosprosessiksi, jolla kaksi tai useampia materiaaleja voidaan liittää pysyvästi yhteen lämmön, paineen ja lisäaineen avulla tai ilman niitä. Sitä voidaan ylivoimaisesti käyttää metallien lisäksi myös muuntyyppisten materiaalien, kuten muovien ja keramiikan, liittämiseen. Erilaisten materiaalien liittämiseen useilla eri tavoilla on olemassa suuri määrä hitsausprosesseja, jotka voidaan luokitella laajasti sulahitsaukseen ja kiinteän aineen hitsaukseen. Sulahitsaus on hitsaus, jossa lämpöä käytetään ulkoisesti sulattamaan perusmetallin sulavat pinnat ja muodostamaan yhteenkietoutumista. Lämpöä voidaan käyttää eri tavoin, kuten valokaari-, kaasuliekki-, vastuslämmitys-, suurienergiasäde- jne. menetelmillä.

Kaikki valokaari-, kaasu-, vastuslämmitys- ja suurienergiasäteen hitsausprosessit kuuluvat sulahitsauksen piiriin. Kaarihitsauksessa valokaari muodostuu teräväkärkisen elektrodin ja johtavien perusmetallien välille. Tämä valokaari on pääasiallinen lämmönlähde sulavien pintojen ja lisäainemetallien sulattamiseksi. Tällaisia prosesseja on useita – kaikki noudattavat samaa perusperiaatetta, mutta ne eroavat huomattavasti toisistaan menettelyn, hyötyjen, rajoitusten ja käyttökelpoisten sovellusalueiden osalta. Suojametallikaarihitsaus (SMAW), kaasumetallikaarihitsaus (GMAW) ja kaasuvolframikaarihitsaus (GTAW) ovat kolme tällaista kaarihitsausmenetelmää, joista kullakin on tiettyjä etuja muihin verrattuna. Seuraavassa käsitellään SMAW-, GMAW- ja GTAW-hitsausprosessien eroja.

Kulutettava ja ei-kulutettava elektrodi: Elektrodi on olennainen osa jokaista kaarihitsausprosessia valokaaren muodostamiseksi ja ylläpitämiseksi. Tällaisia elektrodeja voi olla kahdenlaisia – kuluvia ja ei-kuluvia. Kuluva elektrodi sulaa hitsauksen aikana valokaaren kuumentuessa ja kerrostuu sen jälkeen hitsisulaan, josta lopulta tulee olennainen osa liitosta. Sitä vastoin kulumaton elektrodi ei sula hitsauksen aikana ja pysyy ehjänä. Tietyssä kaarihitsausprosessissa käytetään vain yhtä tyyppiä. Seuraavassa vertaillaan SMAW-, GMAW- ja GTAW-hitsausprosesseja kuluvan ja kulumattoman elektrodin osalta.

• SMAW-kuluva elektrodi.
• GMAW-kuluva elektrodi.
• GTAW-kulumaton elektrodi.

Lisäaineen käyttö: Täytemetallia tarvitaan toimitettavaksi juuren raon täyttämiseen. Kun juuriväli on huomattavasti suurempi (>2 mm) ja/tai reuna on valmisteltu, on käytettävä täyteainetta. Kulutuselektrodilla itse elektrodi sulaa ja kerrostuu hitsisulaan. Näin ollen ylimääräistä lisäainetta ei tarvita. Tällainen elektrodi toimii täyteaineena, ja elektrodin syöttönopeutta voidaan säätää täyteaineen laskeutumisnopeuden manipuloimiseksi. Sitä vastoin ei-kuluva elektrodi ei anna lisäainetta hitsisulaan. Jos siis tarvitaan täyteainetta, se on toimitettava erikseen.

• SMAW-lisäainetta ei tarvita. Elektrodi toimii täyteaineena.
• GMAW-lisäainetta ei tarvita. Elektrodi toimii täyteaineena.
• GTAW-Elektrodi ei voi kulua. Täyteainetta syötetään siis pienen halkaisijan sauvan muodossa vain silloin, kun sitä tarvitaan, syöttämällä sitä jatkuvasti kaaripylvään alapuolelle.

Elektrodin/täyteaineen jatkuva luonne: Täyteaine, joko elektrodin tai erillisen elektrodin muodossa, sulaa jatkuvasti ja kerrostuu hitsisulaan. Näin sen pituus lyhenee vähitellen hitsausaikana. Jos lisäaineen pituus on lyhyt, se on vaihdettava usein uuteen. Tämä vähentää tuotantonopeutta ja keskeyttää prosessin. Toisaalta pitkää lisäainetta voidaan syöttää yhtäjaksoisesti hitsausalueelle pidemmän aikaa ilman keskeytyksiä. Tällainen menetelmä on tuottava, mutta vaatii kalliin lisäaineen varastointia.

• SMAW-lisäaine-sumuelektrodi on halkaisijaltaan pienen suoran puikon muodossa, jonka pituus on 2 – 3 ft. Näin ollen se on vaihdettava usein ja prosessi on keskeytettävä.
• GMAW-lisäaine-sumuelektrodi on halkaisijaltaan halkaisijaltaan pientä rautalankaa, joka on kierretty rautalanka-altaaseen. Melko pitkä lankaelektrodi varastoidaan kyseiseen altaaseen, ja näin hitsausta voidaan jatkaa yhtäjaksoisesti pidempään ilman, että se keskeytetään välillä elektrodin vaihtamista varten. Tätä elektrodia syötetään jatkuvasti mekaanisten järjestelyjen avulla.
• GTAW-elektrodi ei ole kuluvaa. Lisätäyteaine on yleensä lyhyen, halkaisijaltaan pienen sauvan muodossa, joten se vaatii usein pysähdyksiä täyteaineen vaihtamista varten. Hitsausta voidaan kuitenkin suorittaa yhtäjaksoisesti, jos lisäainetta ei käytetä.

Preferable welding mode: Kaarihitsaus voidaan suorittaa kolmessa eri tilassa. Kuten aiemmin mainittiin, lisäainetta ei tarvitse syöttää, kun juuriväli on hyvin pieni tai perusmateriaalit ovat ohuita. Kun hitsaus suoritetaan ilman lisäainetta, sitä kutsutaan autogeeniseksi tilaksi. Jos lisäainetta kuitenkin käytetään ja lisäaineen metallurginen koostumus on samanlainen kuin peruskomponentin, sitä kutsutaan homogeeniseksi tilaksi. Jos täyteaineen metallurginen koostumus poikkeaa huomattavasti peruskomponentin koostumuksesta, sitä kutsutaan heterogeeniseksi tilaksi. Eri hitsausprosessit soveltuvat eri moodeihin.

• SMAW-lisäaine on luontainen osa tätä prosessia kuluvan elektrodin vuoksi. Autogeeninen tila ei siis ole mahdollinen. Se soveltuu pääasiassa homogeeniseen hitsaukseen.
• GMAW- Samanlainen kuin SMAW, täyteaine on luontainen tässä prosessissa kuluvan elektrodin vuoksi. Autogeeninen tila ei siis ole mahdollinen. Se soveltuu homogeeniseen ja heterogeeniseen hitsaukseen.
• GTAW-Elektrodi on kulumaton. Autogeeninen tila on siis mahdollinen; itse asiassa TIG-hitsaus soveltuu vain tähän tilaan. Sitä voidaan kuitenkin soveltaa myös homogeeniseen ja heterogeeniseen hitsaukseen käyttämällä optimaalisia prosessiparametreja.

Elektrodimateriaali: Jokaisen kaarihitsausprosessin elektrodimateriaalilla on oltava muutamia perusominaisuuksia, kuten hyvä sähkönjohtavuus, hyvä elektroniemissiivisyys, haluttu sulamispiste jne. On syytä mainita, että lisäainemetallin on oltava yhteensopiva perusmetallin kanssa, muuten ne eivät sekoitu kunnolla, mikä johtaa virheelliseen hitsaukseen. Kulutuselektrodin osalta elektrodimateriaali olisi siis valittava yhteensopivuuden perusteella perusmetallin kanssa. Kuluttamattoman elektrodin kanssa lisäainemateriaali olisi valittava yhteensopivuuden perusteella perusmetallin kanssa, kun taas elektrodi olisi valmistettava sellaisesta materiaalista, jolla on korkea sulamisaste.

• SMAW-elektrodi valmistetaan enimmäkseen rautapohjaisista materiaaleista. Siinä on vain vähän erilaisia elektrodimateriaaleja. Näin ollen se soveltuu vain rautapitoisten komponenttien homogeeniseen liittämiseen.
• GMAW-Markkinoilla on saatavilla laaja valikoima erilaisia elektrodimateriaaleja. Vaikka useimmat elektrodit ovat rautapitoisia, niiden metallurgista koostumusta voidaan vaihdella halutun tuloksen aikaansaamiseksi.
• GTAW-Tämä elektrodi on valmistettu ainoastaan volframista. Tämä on riippumaton perusmetallista tai täyteaineesta, koska elektrodi ei ole kuluva. Volframilla on korkein sulamispiste (3422 °C). Myös muita haluttuja ominaisuuksia voidaan manipuloida lisäämällä seosaineita pieninä osuuksina. Esimerkiksi toriumia, lantaanioksidia, ceriumoksidia, zirkoniaa jne. lisätään volframin kanssa erilaisten hitsausominaisuuksien, kuten elektroniemissiivisyyden, elektrodin eroosion jne. parantamiseksi.

Päällystetty tai paljas elektrodi: Elektrodi voidaan pinnoittaa sen suojaamiseksi hapettumiselta tai ilmansaasteilta. Hapettumiselta suojaamisen lisäksi pinnoitteella on myös muita etuja, kuten suojakaasun syöttö, roiskeiden vähentäminen, valokaaren vakauttaminen, kemiallisten elementtien indusoiminen hitsisulaan jne. Päällystetty elektrodi on kuitenkin kallis ja altis vaurioitumaan ajan myötä. Eri prosesseissa käytetään erityyppisiä pinnoitteita, joilla kullakin on haluttu tehtävä.

• SMAW-käyttää paksua vuopäällysteistä elektrodia. Sen lisäksi, että se suojaa elektrodia, se antaa suojakaasua.
• GMAW-Elektrodissa ei ole vuopäällystettä. Elektrodimateriaalin suojaamiseksi hapettumiselta käytetään kuitenkin ohutta pinnoitetta vakaasta materiaalista.
• GTAW-Käyttää paljasta volframielektrodia. Elektrodissa ei ole pinnoitetta.

Suojakaasun syöttö: Suojakaasua syötetään kaarihitsauksessa hapen poistamiseksi hitsausvyöhykkeeltä ja suojakaasun muodostamiseksi suojakaasukehän ympärille hitsauspullan ympärille. Sen ensisijainen tehtävä on suojata kuumaa hitsisulaa hapettumiselta. Tällaista suojakaasua voidaan syöttää suoraan kaasupullosta tai epäsuorasti hajottamalla muita kemiallisia elementtejä hitsauksen aikana.

• SMAW-Elektrodin flux-pinnoite hajoaa hitsauksen aikana ja tuottaa suojakaasua. Erillistä suojakaasua ei käytetä erikseen.
• GMAW-suojakaasua (inerttiä tai aktiivista) syötetään kaasupullosta.
• GTAW-inerttiä suojakaasua syötetään kaasupullosta.

Sirpaleongelma: Sirpaleet ovat pieniä pisaroita sulaa suodatinmetallia, joita syntyy valokaaren sironnan seurauksena ja jotka tulevat ulos hitsausalueelta. Nämä roiskeet aiheuttavat lisäainehäviöitä ja siten epätasaisen lisäaineen laskeutumisnopeuden, joka joskus johtaa erilaisiin hitsausvirheisiin, kuten negatiiviseen raudoitukseen ja mittatarkkuuteen. Se myös haittaa ulkonäköä ja vaatii hiontaa hitsauksen jälkeen sen poistamiseksi.

• SMAW-Tuottaa liikaa roiskeita jopa optimaalisilla prosessiparametreilla.
• GMAW-Tuottaa myös roiskeita; niitä voidaan kuitenkin vähentää käyttämällä optimaalisia prosessiparametreja.
• GTAW-Tuottaa enimmäkseen täysin roiskevapaasti.

Manuaalisesti ja automatisoidusti: Suojametallikaarihitsaus suoritetaan manuaalisesti, ja siksi sitä kutsutaan myös käsikäyttöiseksi metallikaarihitsaukseksi (MMAW). Kaasumetallikaarihitsaus voidaan automatisoida helposti, kun elektrodilankaa syötetään jatkuvasti rom kelaan mekanisoidulla järjestelyllä ja samalla poltinta liikutetaan toisella automaattisella ajoneuvolla. Kaasuvolframikaarihitsaus suoritetaan yleensä manuaalisesti, mutta se voidaan myös automatisoida, erityisesti polttimen liikuttaminen. Automatisoitu prosessi on nopea ja tuottavampi, mutta käsikäyttöinen prosessi on joustavampi, eikä sen käyttöpaikkaa käytännössä rajoiteta.

Tuottavuus- ja laatukysymykset: SMAW ei tarjoa laadukasta liitosta. Näin ollen sitä käytetään enimmäkseen kotitalouksien ja yleisen teollisuuden tarpeisiin. Elektrodien tiheä vaihtaminen aiheuttaa keskeytyksiä prosessissa, joten se ei sovellu pidempiin hitsausvaatimuksiin. GMAW on erittäin tuottava, ja sitä voidaan tehdä yhtäjaksoisesti pitkään. Se voidaan automatisoida helposti. Sen laskeutumisnopeus on myös erittäin korkea. Näin ollen se soveltuu käytettäväksi silloin, kun juuriväli on suuri, reunat valmistetaan U- tai V-muotoisiksi, kun on pidempiä liitosvaatimuksia tai jopa pleterointia varten. Vaikka se on vähemmän altis virheille, sen liitoksen laatu ei ole kovin hyvä. Roiskeet haittaavat myös hitsisulan ulkonäköä. Laadun kannalta GTAW on näistä kolmesta paras. Sillä saadaan aikaan erinomainen liitos, jolla on upea ulkonäkö. Se on vähemmän altis virheille, mutta laskeuma- tai hitsausnopeus on verrattain alhainen.

Tässä artikkelissa esitetään suojametallikaarihitsauksen (SMAW), kaasumetallikaarihitsauksen (GMAW) ja kaasuvolframikaarihitsauksen (GTAW) tieteellinen vertailu. Kirjoittaja suosittelee myös tutustumaan seuraaviin viitteisiin aiheen ymmärtämiseksi paremmin.