Prosessitekijöiden lisäksi muut hitsausprosessiin liittyvät tekijät, kuten railon ja raon koko, elektrodin ja työkappaleen kaltevuuskulma sekä liitoksen sijainti, voivat myös vaikuttaa hitsin muodostumiseen ja hitsin kokoon.
Hitsausvirran vaikutus hitsin muodostumiseen
Tietyissä olosuhteissa, kun kaarihitsausvirta kasvaa, hitsaussauman tunkeutumissyvyys ja vahvistus kasvavat, ja hitsaussauman leveys kasvaa hieman. Syyt ovat seuraavat:
1) Kun kaarihitsauksen hitsausvirta kasvaa, hitsausrakenteeseen vaikuttava kaarivoima kasvaa, valokaaren lämmöntuonti hitsausrakenteeseen kasvaa ja lämmönlähteen sijainti siirtyy alaspäin, mikä edistää lämmön johtumista sulan altaan syvyyssuunnassa ja lisää tunkeutumissyvyyttä. Tunkeutumissyvyys on suunnilleen verrannollinen hitsausvirtaan. Hitsaussuunnassa mitattu tunkeutumissyvyys H on suunnilleen yhtä suuri kuin Km × I. Kaavassa Km on tunkeutumiskerroin (millimetrien lukumäärä, jolla hitsaussyvyyttä lisätään, kun hitsausvirtaa lisätään 100 A), joka liittyy kaarihitsausmenetelmään, langan halkaisijaan, virtatyyppiin jne., kuten taulukossa 1-1 on esitetty.
| kaarihitsausmenetelmät | elektrodin halkaisija/mm | hitsausvirta/A | jännite/V | hitsausnopeus/mh-1 | tunkeutumiskerroin/m m-100A-1 |
volframi-argonkaarihitsaus | 3.2 | 100–350 | 10–16 | 6–18 | 0,8–1,8 |
| | 1,6 suuttimen aukko | 50–100 | 20–26 | 10–60 | 1,2–2 |
| 3,4 suuttimen aukko | 220–300 | 28–36 | 18–30 | 1,5–2,4 |
| | 2 | 200–700 | 32–40 | 15–100 | 1,0–1,7 |
| 5 | 450–1200 | 34–44 | 30–60 | 0,7–1,3 |
fuusioelektrodi argonkaarihitsaus | 1,2–2,4 | 210–550 | 24–42 | 40–120 | 1,5–1,8 |
| CO2-hitsaus | 0,8–1,6 | 70–300 | 16–23 | 30–150 | 0,8–1,2 |
| 2–4 | 500–900 | 35–45 | 40–80 | |
Taulukko 1-1 Sulamissyvyyskerroin Km eri kaarihitsausmenetelmille ja parametreille (hitsattava teräs)
2) Hitsausytimen tai hitsauslangan sulamisnopeus kaarihitsauksessa on verrannollinen hitsausvirtaan. Koska hitsausvirran kasvu kaarihitsauksessa johtaa hitsauslangan sulamisnopeuden kasvuun, sulaneen hitsauslangan määrä kasvaa suunnilleen suhteessa, kun taas hitsin leveys kasvaa vähemmän, joten hitsin vahvistus kasvaa.
3) Hitsausvirran kasvaessa valokaaren pylvään halkaisija kasvaa. Syvyys, jolla valokaari tunkeutuu työkappaleeseen, kuitenkin kasvaa, ja valokaaren pisteen liikealue on rajoitettu. Siksi hitsausleveyden kasvu on suhteellisen pieni.
Suojakaasuhitsauksessa (MIG) hitsausvirran kasvaessa hitsausaineen tunkeutumissyvyys kasvaa. Jos hitsausvirta ja virrantiheys ovat liian suuria, sormimaisia tunkeumia voi esiintyä helposti, erityisesti alumiinia hitsattaessa.
Valokaarijännitteen vaikutus hitsin muodostumiseen
Tietyissä olosuhteissa, kun valokaarijännitettä nostetaan, valokaaren teho kasvaa ja myös lämmöntuonti hitsausrakenteeseen kasvaa. Valokaarijännitteen kasvu saavutetaan kuitenkin pidentämällä valokaaren pituutta. Valokaaripituuden kasvu johtaa valokaaren lämmönlähteen säteen kasvuun ja valokaaren lämmönhukkamäärän kasvuun. Tämän seurauksena hitsausrakenteeseen syötetty energiatiheys pienenee, joten tunkeutumissyvyys pienenee hieman, kun taas hitsauspalon leveys kasvaa. Samalla, koska hitsausvirta pysyy muuttumattomana ja hitsauslangan sulamismäärä pysyy muuttumattomana, hitsauspalon vahvistus pienenee.
Erilaisissa kaarihitsausmenetelmissä oikean hitsin muodostumisen saavuttamiseksi eli sopivan hitsin muodostumiskertoimen φ ylläpitämiseksi hitsausvirtaa nostettaessa on myös kaarijännitettä lisättävä vastaavasti. Kaarijännitteen ja hitsausvirran on oltava sopivassa suhteessa. Tämä on yleisintä kulutuselektrodihitsauksessa.
Hitsausnopeuden vaikutus hitsin muodostumiseen
Tietyissä olosuhteissa hitsausnopeuden lisääminen johtaa hitsauslämmöntuonnin vähenemiseen, mikä pienentää sekä hitsauspalon leveyttä että tunkeumaa. Koska hitsausyksikköä kohti kertyneen lankametallin määrä on kääntäen verrannollinen hitsausnopeuteen, se johtaa myös hitsauspalon vahvistuksen vähenemiseen.
Hitsausnopeus on tärkeä indikaattori hitsauksen tuottavuuden arvioinnissa. Hitsauksen tuottavuuden parantamiseksi hitsausnopeutta tulisi lisätä. Rakennesuunnittelussa vaadittavan hitsauskoon varmistamiseksi hitsausnopeutta nostettaessa hitsausvirtaa ja valokaarijännitettä tulisi kuitenkin vastaavasti lisätä. Nämä kolme suuretta ovat yhteydessä toisiinsa. Samalla on myös otettava huomioon, että hitsausvirran, valokaarijännitteen ja hitsausnopeuden nostamisen yhteydessä (eli käytettäessä suuritehoista hitsauskaarta ja suurta hitsausnopeutta) voi esiintyä hitsausvirheitä, kuten alileikkausta ja halkeamia, sulan altaan muodostumisen ja jähmettymisprosessin aikana. Siksi hitsausnopeuden lisäys on rajoitettua.
Hitsausvirran tyypin ja napaisuuden sekä elektrodin koon vaikutus hitsin muodostumiseen
1. Hitsausvirran tyypit ja polariteetit
Hitsausvirrat jaetaan tasavirtaan ja vaihtovirtaan. Näistä tasavirtakaarihitsaus jaetaan edelleen vakiotasavirtaan ja pulssitasavirtaan sen mukaan, onko virrassa pulssia; se jaetaan napaisuuden mukaan tasavirtaan positiivisen kytkennän (hitsauskappale on kytketty positiiviseen) ja tasavirtaan käänteisen kytkennän (hitsauskappale on kytketty negatiiviseen) mukaan. Vaihtovirtakaarihitsaus jaetaan edelleen siniaaltovaihtovirtaan ja kanttiaaltovaihtovirtaan eri virta-aaltomuotojen mukaan. Hitsausvirran tyyppi ja napaisuus voivat vaikuttaa valokaaren hitsauskappaleeseen syöttämän lämmön määrään ja siten hitsin muodostumiseen. Samalla se voi vaikuttaa myös pisaroiden siirtymisprosessiin ja oksidikalvon poistumiseen perusmetallin pinnalta.
Kun volframielektrodilla tehtävää inerttikaasuhitsausta käytetään hitsaukseen metalleja, kuten terästä ja titaania, hitsausläpäisy on syvin, kun tasavirta kytketään positiiviseen suuntaan, matalin, kun tasavirta kytketään vastakkaiseen suuntaan, ja vaihtovirta kytketään näiden kahden väliin. Koska hitsausläpäisy on syvin, kun tasavirta kytketään positiiviseen suuntaan, ja volframielektrodin palohäviö on pienin, tulisi käyttää tasavirran positiivista liitäntää, kun volframielektrodilla tehtävää inerttikaasuhitsausta käytetään metallien, kuten teräksen ja titaanin, hitsaukseen. Kun volframielektrodilla tehtävää inerttikaasuhitsausta käytetään pulssiparametrien säätämisen ansiosta, hitsausmuodostelman kokoa voidaan säätää tarpeen mukaan. Kun volframielektrodilla tehtävää inerttikaasuhitsausta käytetään alumiinin, magnesiumin ja niiden seosten hitsaukseen, on tarpeen käyttää valokaaren katodinpuhdistusvaikutusta perusmetallin pinnan oksidikalvon puhdistamiseen. Vaihtovirta on parempi. Koska suorakaiteen muotoisen vaihtovirran aaltomuotoparametreja voidaan säätää, hitsaustulos on parempi.
Kaasumetallikaarihitsauksessa, kun tasavirta kytketään vastavirtaan, hitsauksen tunkeuma ja hitsauksen leveys ovat molemmat suurempia kuin tasavirran positiivisessa kytkennässä. Vaihtovirtahitsauksessa tunkeuma ja leveys ovat näiden kahden välissä. Siksi jauhekaarihitsauksessa käytetään yleensä tasavirran käänteiskytkentää suuremman tunkeuman saavuttamiseksi, kun taas jauhekaarihitsauksessa käytetään tasavirran positiivista kytkentää tunkeuman pienentämiseksi. Suojakaasulla tehtävässä kaasumetallikaarihitsauksessa sitä käytetään laajalti, koska käänteisellä tasavirtakytkennällä on paitsi suuri tunkeutumissyvyys, myös hitsauskaari ja pisaran siirtymisprosessi ovat vakaampia kuin tasavirran positiivisessa kytkennässä ja vaihtovirrassa, ja sillä on katodin puhdistusvaikutus. Tasavirran positiivista kytkentää ja vaihtovirtaa ei yleensä käytetä.
2. Volframielektrodin kärjen muodon, hitsauslangan halkaisijan ja jatkolangan pituuden vaikutus
Tun- tai gsten-elektrodin etupään kulma ja muoto vaikuttavat merkittävästi valokaaren pitoisuuteen ja paineeseen. Ne tulisi valita hitsausvirran ja työkappaleen paksuuden mukaan. Yleisesti ottaen, mitä tiivistyneempi valokaari ja mitä suurempi valokaaren paine, sitä suurempi on tunkeutumissyvyys ja hitsin leveys vastaavasti pienenee.
Kaasumetallikaarihitsauksessa, kun hitsausvirta on vakio, mitä ohuempi hitsauslanka on, sitä keskittyneempi valokaaren kuumennus on, tunkeutumissyvyys kasvaa ja hitsin leveys pienenee. Hitsauslangan halkaisijaa valittaessa on kuitenkin otettava huomioon myös virran suuruus ja hitsisulan morfologia, jotta vältetään huono hitsin muodostuminen.
Kun langan jatkopituus kaasumetallihitsauksessa kasvaa, langan jatko-osan läpi kulkevan hitsausvirran tuottama vastuslämpö kasvaa, mikä lisää langan sulamisnopeutta. Tämän seurauksena hitsauslujuus kasvaa, kun taas tunkeutumissyvyys pienenee jonkin verran. Teräslankojen suhteellisen suuren resistiivisyyden vuoksi langan jatkopituuden vaikutus hitsin muodostumiseen on suhteellisen ilmeinen hitsattaessa teräs- ja hienolankoja. Alumiinilankojen resistiivisyys on suhteellisen pieni, joten sen vaikutus ei ole merkittävä. Vaikka langan jatkopituuden lisääminen voi parantaa langan sulamiskerrointa, ottaen kokonaisvaltaisesti huomioon langan sulamisvakauden ja hitsin muodostumisen näkökohdat, langan jatkopituudelle on sallittu vaihteluväli.
Muiden prosessitekijöiden vaikutus hitsin muodostumistekijöihin
Edellä mainittujen prosessitekijöiden lisäksi muut hitsausprosessitekijät, kuten railon koko ja raon koko, elektrodin ja työkappaleen kaltevuuskulma sekä liitoksen sijainti, voivat myös vaikuttaa hitsin muodostumiseen ja hitsin kokoon.
1. Ura ja rako
Kun hitsataan puskuliitoksia sähkökaarihitsauksella, yleensä määritetään, onko jätettävä rako, raon koko ja avattavan uran muoto hitsauslevyn paksuuden mukaan. Tietyissä muissa olosuhteissa, mitä suurempi uran tai raon koko on, sitä pienempi on hitsatun hitsin raudoitus, mikä vastaa hitsausasennon laskua. Tällöin sulamissuhde pienenee. Siksi raon jättämistä tai uran avaamista voidaan käyttää raudoituksen koon säätämiseen ja sulamissuhteen säätämiseen. Verrattuna raon jättämiseen ja raon jättämättä jättämiseen ja uran avaamiseen, lämmönhukkaolosuhteet ovat jonkin verran erilaiset. Yleisesti ottaen uran avaamisen kiteytymisolosuhteet ovat edullisemmat.
2. Elektrodin (hitsauslangan) kaltevuus
Kaarihitsauksessa elektrodin kallistussuunnan ja hitsaussuunnan välisen suhteen mukaan kaarihitsaus jaetaan kahteen tyyppiin: elektrodin eteenpäin kallistus ja elektrodin taaksepäin kallistus. Kun hitsauslanka on kallistettu, myös valokaaren akseli kallistuu vastaavasti. Kun hitsauslanka on kallistettu eteenpäin, kaarivoiman vaikutus sulan metallia purkautuessa taaksepäin heikkenee. Sulan metallialtaan pohjalla oleva nestemäinen metallikerros paksuuntuu, tunkeutumissyvyys pienenee, valokaaren tunkeutumissyvyys hitsausrakenteeseen pienenee, valokaaren pisteen liikealue laajenee, hitsausleveys kasvaa ja raudoitus pienenee. Mitä pienempi hitsauslangan eteenpäin kallistuskulma α on, sitä selvempi tämä vaikutus on. Kun hitsauslanka on kallistettu taaksepäin, tilanne on päinvastainen. Suojametallikaarihitsauksessa käytetään enimmäkseen elektrodin taaksepäin kallistusmenetelmää, ja 65° - 80° kaltevuuskulma α on suhteellisen sopiva.
3. Hitsauskappaleen kaltevuus
Hitsausliitoksen kaltevuutta esiintyy usein todellisessa tuotannossa, ja se voidaan jakaa ylämäkeen ja alamäkeen suuntautuvaan hitsaukseen. Tällöin painovoiman vaikutuksesta sula metalli pyrkii virtaamaan alaspäin kaltevaa suuntaa pitkin. Ylämäkeen suuntautuvassa hitsauksessa painovoima auttaa purkamaan sulan metallin sulan altaan perään, jolloin tunkeuma on syvä, hitsin leveys kapea ja raudoitus korkea. Kun ylämäkeen suuntautuva kulma α on 6° - 12°, raudoitus on liian suuri ja molemmille puolille syntyy helposti alireikiä. Alamäkeen suuntautuvassa hitsauksessa tämä ilmiö estää sulan metallin purkautumisen sulan altaan perään. Valokaari ei pysty lämmittämään metallia syvälle sulan altaan pohjalle, jolloin tunkeuma pienenee, valokaaren pisteen liikealue laajenee, hitsin leveys kasvaa ja raudoitus pienenee. Jos hitsauksen kaltevuuskulma on liian suuri, se johtaa riittämättömään tunkeutumiseen ja sulan metallin ylivuotamiseen.
4. Hitsausmateriaali ja paksuus
Hitsausläpän lujuus liittyy hitsausvirran lisäksi myös materiaalin lämmönjohtavuuteen ja tilavuuslämpökapasiteettiin. Mitä parempi materiaalin lämmönjohtavuus on ja mitä suurempi tilavuuslämpökapasiteetti on, sitä enemmän lämpöä tarvitaan metallin tilavuusyksikön sulattamiseen ja lämpötilan nostamiseen samalla määrällä. Siksi tietyissä muissa olosuhteissa, kuten hitsausvirrassa, tunkeutumissyvyys ja hitsausleveys pienenevät. Mitä suurempi materiaalin tiheys tai nestemäinen viskositeetti on, sitä vaikeampaa valokaaren on syrjäyttää nestemäistä sulaa metallia ja sitä matalampi on hitsausläpän lujuus. Hitsatun osan paksuus vaikuttaa lämmönjohtavuuteen hitsatun osan sisällä. Kun muut olosuhteet ovat samat, hitsatun osan paksuuden kasvaessa lämmönhukka kasvaa ja sekä hitsausleveys että tunkeutumissyvyys pienenevät.
5. Fluksi, elektrodin pinnoite ja suojakaasu
Fluksien tai elektrodipinnoitteiden erilaiset koostumukset johtavat erilaisiin jännitehäviöihin valokaaren elektrodialueilla ja erilaisiin potentiaaligradientteihin valokaaren patruunassa, mikä väistämättä vaikuttaa hitsin muodostumiseen. Kun fluksilla on alhainen tiheys, suuri hiukkaskoko tai pieni pinoamiskorkeus, valokaaren ympärillä oleva paine on alhainen, valokaaren patruuna laajenee ja valokaaren pisteellä on suuri liikealue. Siksi tunkeuma on pieni, hitsin leveys on suuri ja raudoitus on pieni. Kun paksuja työkappaleita hitsataan suuritehoisella kaarihitsauksella, hohkakivimäisen fluksin käyttö voi vähentää valokaaren painetta, pienentää tunkeumaa ja lisätä hitsin leveyttä. Lisäksi hitsauskuonan viskositeetin ja sulamislämpötilan tulisi olla sopiva. Jos viskositeetti on liian korkea tai sulamislämpötila on suhteellisen korkea, kuonalla on huono ilmanvaihto ja hitsauspintaan muodostuu helposti paljon painaumia, mikä johtaa huonoon hitsauspinnan muodostumiseen.
Kaarihitsauksessa käytettävien suojakaasujen (kuten Ar, He, N2, CO2) koostumus on erilainen, ja myös niiden fysikaaliset ominaisuudet, kuten lämmönjohtavuus, ovat erilaisia. Tämä tekee valokaaren napa-alueen jännitehäviöstä ja valokaaren pylvään potentiaaligradienttista, valokaaren pylvään johtavasta poikkileikkauksesta, plasmavirtausvoimasta ja ominaislämpövuon jakautumisesta erilaisen. Kaikki nämä tekijät vaikuttavat hitsaussaumojen muodostumiseen.
Lyhyesti sanottuna hitsin muodostumiseen vaikuttaa monia tekijöitä. Hyvän hitsin muodostumisen saavuttamiseksi on valittava sopivat hitsausmenetelmät ja -olosuhteet hitsattavan osan materiaalin ja paksuuden, hitsin sijainnin, liitoksen muodon, työolosuhteiden, liitoksen suorituskykyvaatimusten ja hitsin koon mukaan. Samalla tärkeintä on hitsaajan asenne hitsausta kohtaan! Muuten hitsin muodostuminen ja sen suorituskyky eivät välttämättä täytä vaatimuksia, ja voi esiintyä jopa erilaisia hitsausvirheitä.
