Hitsaustekniikan perusteet
Hitsaaminen on metallien, joiden koostumus on sama tai samankaltainen, liittämistä lämmön vaikutuksesta, saman tai samankaltaisen metallin lisäyksellä tai ilman sitä. Hitsauksen avulla osat yhdistetään erottamattomasti toisiinsa, jolloin syntyy yhtenäinen kokonaisuus. Hyvä hitsaus edellyttää tiivistä liittymää, joka saavutetaan vain silloin, kun myös perusmateriaali sulaa hitsauskohdassa (sulamisvyöhyke).
Sähkökaarihitsaus
Teräsrakenteissa tulee ensisijaisesti kyseeseen kaarihitsaus, jossa tarvittava lämpö saadaan sähköisestä valokaaresta. Valokaari syntyy peruskappaleen ja niin sanotun elektrodin välille, joka samalla sulaa ja antaa lisäainetta. Lisäaineen (elektrodin) oikealla valinnalla on suurin vaikutus hitsatun liitoksen ominaisuuksiin. Elektrodit valitaan hitsattavan perusaineen ominaislujuuksien mukaan. Elektrodien valinta ja hitsausolosuhteiden määrittäminen edellyttävät ammattitaitoa, minkä vuoksi on luotu erityisesti koulutettujen ”hitsaustekniikan erikoisinsinöörien” instituutio, jonka tehtävänä on muun muassa valvoa hitsaustöitä ja toistaa hitsaajien pätevyystestaukset säännöllisesti.
Kaasuhitsaus ja -leikkaus
Kaasuhitsauksessa tarvittava lämpö tuotetaan kaasun palamisella, niin että perus- ja lisäaine sulavat. Tärkeämpää on leikkaus. Leikkauspillissä on lämpöputken lisäksi, joka toimii kuten hitsauksessakin, vielä yksi happileikkausputki. Kuumalla liekillä lämmitetty teräs läpäistään ja puhalletaan puhki happivirralla. Leikkaus antaa sileät ja tarkat pinnat, jotka riittävät moniin teräsrakenteiden käyttötarkoituksiin ilman jatkokäsittelyä.
Hitsattavuus
Hitsattujen liitosten arvioinnissa on otettava huomioon, että hitsausprosessin aikana lisäaineen sekä perusaineen koostumus voi muuttua huomattavasti. Myös rakenteen muutos on tärkeä – sulaneen hitsin ja muuttumattoman perusaineen välissä on lämpövaikutuksen asteesta riippuen eri rakenteen ja siten eri ominaisuuksien vyöhyke. Hitsin vieressä on alue, jossa perusmateriaali suli (sulamisvyöhyke) ja jossa tapahtuu liitos hitsausvyöhykkeen ja perusaineen välillä. Ympäröivä materiaalivyöhyke on niin ikään voimakkaasti kuumentunut, vaikka sulamispistettä ei siellä enää saavuteta. Tässä ylikuumenemisvyöhykkeessä tapahtuu suuria rakenteellisia muutoksia, joten se on usein ratkaiseva koko hitsatun liitoksen ominaisuuksien kannalta.
Sauman halkeilu tarkoittaa saumassa esiintyvien murtumien syntymistä, jotka syntyvät heti hitsauksen jälkeen vielä korkeassa lämpötilassa tai mahdollisesti vasta jäähdyttäessä sinisen hehkun alueella (noin 300°C:ssa). Halkeilu on suurelta osin elektrodien ominaisuus; sitä esiintyy lähes yksinomaan päällystetyillä elektrodeilla, joilla on juuri merkitystä teräsrakenteissa. Murtumien syntymiseen tarvitaan kahden ehdon täyttyminen, nimittäin hitsausprosessista tai muista ulkoisista vaikutuksista johtuvat suuret jännitykset sekä materiaalin jäykkyyden lisääntyminen.
Metallurgisten muutosten lisäksi materiaalin koostumuksessa ja rakenteessa tärkeitä ovat myös fysikaaliset prosessit, jotka liittyvät suuriin lämpömääriin, joita hitsauksessa johdetaan materiaaliin ja silloin saavutettuihin korkeisiin lämpötiloihin. Lämmitys ei tapahdu tasaisesti, vaan vain kapeasti rajatuilla alueilla. Lämmitykseen liittyvä lämpölaajeneminen estyy kuumentuneen alueen sisäisistä jännityksistä johtuen kuumentamattoman materiaalin vaikutuksesta. Lisäksi syntyy ulkoista jännitystä, koska osat on hitsattaessa kiristettävä tiukasti, minkä vuoksi kuumennettaessa ilmenee plastista puristumista. Jäähdytyksen aikana sauma ja sen ympäristö kutistuvat voimakkaimmin (kutistuminen). Jäähdytyksessä estyneen venymisen vuoksi on synnyttävä pakkojännityksiä (kutistumisjännityksiä). Hitsattavien osien esikuumennuksella 200 °C:sta 300 °C:een jäähdytystä voidaan hidastaa huomattavasti. Karkaisuvaikutuksen pienentymisen vuoksi rakenteen muodostuminen paranee, kovettuminen jää vähäisemmäksi.
Materiaalien ja hitsaustöiden testaus
Yleistä: Koska hitsaustöiden laatu riippuu useista olosuhteista, eikä vähiten ammattitaitoisen työntekijän taidosta ja luotettavuudesta, kaikkia hitsaustöitä on valvottava ja tutkittava tarkasti. Tutkimuksista mainitaan ne, joilla määritetään materiaalien ja elektrodien hitsattavuus, verrataan hitsausolosuhteita ja hitsausmenetelmiä tietyssä tapauksessa, tutkitaan näytteitä jne.
Kuva 1 - Hitsisauman taivutuskokeilu
Hitsatun sauman taivutuskoke: Kyseessä on suorakulmaisen poikkileikkauksen omaavan yksinkertaisen palkin taivutuskoke (kuv. 1), jossa vetoa vastaan kuormitetussa kuidussa puolipyöreästi työstetty pituusura hitsataan uudelleen yhdellä kerroksella ja huoneenlämpötilassa. Sauma aiheuttaa muovattavuuden voimakkaan pienenemisen, joten koesauvat murtuvat usein täysin hauraasti ja äkillisesti. Taivutuskulma on ohuiden levyjen tapauksessa suurempi, ja se pienenee levyn paksuuden kasvaessa.
Vloviskestävyys lovessa: Sauman taivutuskokeessa murtumia esiintyy useimmiten ensin saumassa, jolloin tapahtuu hauras murtuma. Perusmateriaalin on kyettävä vastaanottamaan kuorma, joka syntyy äkillisesti sauman hauraassa repeämisessä. On vaadittava, että halkeama hitsausvyöhykkeessä ei leviä nopeasti myöskään perusmateriaaliin, vaan että halkeama saa edetä vain hitaasti. Perusmateriaalin on oltava riittävän sitkeää vastaanottamaan tämä äkillinen kuormitus, ja tämän ominaisuuden on säilyttävä riittävässä määrin myös alhaisissa lämpötiloissa. Lovettavuus eli lovikestävyys sekä muut mekaaniset ominaisuudet riippuvat suuressa määrin siitä lämpötilasta, jossa koe suoritetaan. Alhaisissa lämpötiloissa, esim. alle 0 °C:ssa, se voi pudota osaan arvosta lämpötilassa 20 °C. Tämän jyrkän alenemisen sijainti on tärkeä jonkin materiaalin arvioinnissa. Hitsatuilta teräsrakenteilta vaaditaan nykyään hyvää vanhenemiskestävyyttä, ts. korkeaa iskulujuutta kylmänä venytetyillä koesauvoilla.
Kuva 2 - Vaurioituminen lovijännitystilanteissa
Kovuus: Hitsausvyöhykkeellä kovuusilmiöillä on suuri merkitys. On tärkeää tuntea kovuuden kasvu, koska murtuman venymä pienenee nopeasti kovuuden kasvaessa (kuva 3), kun taas vetolujuus σB nousee lähes verrannollisesti Brinellin kovuuteen HB. Rakenneteräksille pätee likimäärin σB = 0,36*HB. Yksi esimerkki I-palkin pääkulmahitsin kovuudesta on esitetty kuvassa 4. Siirtymäalueella esiintyy hyvin pienillä etäisyyksillä suuria kovuuseroja. Kovuuden kulku riippuu muodostuneesta rakenteesta. σ-ε-l -käyrä muuttuu kovuuden mukana samalla tavoin kuin loven jännitystila (kuva 2).
Kuva 3 - Brinellin kovuus ja venymä
Kuva 4 - Erään hitsatun I-palkin kaulan sauma-alueen kovuudet
Valmiiden hitsattujen liitosten rikkomaton koestus
Läpäisykuvaus – Kun läpäisykuvauksen ainepaksuus on pieni, röntgenkuva voidaan tehdä näkyväksi yhdellä näytöllä. Röntgensäteiden sijasta voidaan käyttää radioaktiivisten aineiden gammasäteitä. Röntgenkuva antaa mahdollisuuden päätellä sauman laadusta. Sisältyvät kuona-alueet tai huokoset sekä sidontavirheet ja halkeamat voidaan näin todeta ja tarvittaessa poistaa.
Magneettijauhetarkastus – Tarkasteltavaan teräsosaan synnytetään magneettikenttä, jolloin sirotellut hiukkaset asettuvat kentän mukaisesti. Mahdolliset epäsäännöllisyydet magneettikentässä paljastavat säröjä. Menetelmä on erityisen tehokas pintasäröjen löytämisessä, mutta melko epäherkkä kuonasulkeumille ja huokosille sekä paksumpien levyjen sisäpuolisille säröille.
Ultraäänitutkimus – Ultralyhyet ääniaallot heijastuvat paitsi rajapinnoista myös sisäisistä erottelupinnoista, kuten esimerkiksi halkeamista tai kerrostumista.