Hitsauksen perusperiaatteet

Hitsaus voidaan määritellä metallien yhteenliittymäksi, joka on tuotettu kuumentamalla sopivaan lämpötilaan paineella tai ilman, ja käyttämällä tai ilman täyteainetta.

Sulahitsauksessa lämmönlähde tuottaa riittävästi lämpöä tarvittavan kokoisen sulan metallialtaan luomiseksi ja ylläpitämiseksi. Lämpö voidaan toimittaa sähköllä tai kaasuliekillä. Sähkövastushitsausta voidaan pitää sulahitsauksena, koska muodostuu jonkin verran sulaa metallia.

---

Kiinteäfaasiprosessit tuottavat hitsejä sulattamatta perusmateriaalia ja ilman lisäainemetallia. Painetta käytetään aina, ja yleensä annetaan jonkin verran lämpöä. Kitkalämpöä kehitetään ultraääni- ja kitkaliitoksissa, ja diffuusioliitokseen käytetään yleensä uunilämmitystä.

Hitsauksessa käytettävä sähkökaari on suurvirtainen, pienjännitepurkaus, joka on yleensä 10-2000 ampeeria 10-50 voltilla. Valokaaripylväs on monimutkainen, mutta yleisesti ottaen se koostuu katodista, joka emittoi elektroneja, kaasuplasmasta virran johtamista varten, ja anodialueesta, joka tulee suhteellisen kuumaksi kuin katodi elektronipommituksen vuoksi. Yleensä käytetään tasavirtakaaria (DC), mutta vaihtovirtakaaria (AC) voidaan käyttää.

Kokonaisenergiankulutus kaikissa hitsausprosesseissa ylittää sen, mikä tarvitaan liitoksen tuottamiseen, koska kaikkea syntyvää lämpöä ei voida hyödyntää tehokkaasti. Tehokkuus vaihtelee 60 - 90 prosentin välillä prosessista riippuen; Jotkut erikoisprosessit poikkeavat suuresti tästä luvusta. Lämpöä menetetään johtuen perusmetallin läpi ja säteilystä ympäristöön.

Useimmat metallit reagoivat kuumennettaessa ilmakehän tai muiden lähellä olevien metallien kanssa. Nämä reaktiot voivat olla erittäin haitallisia hitsausliitoksen ominaisuuksille. Useimmat metallit esimerkiksi hapettuvat nopeasti sulaessaan. Oksidikerros voi estää metallin oikean kiinnittymisen. Oksidilla päällystetyt sulat metallipisarat jäävät kiinni hitsiin ja tekevät liitoksesta hauraan. Jotkut arvokkaat materiaalit, joita on lisätty tiettyjen ominaisuuksien vuoksi, reagoivat niin nopeasti altistuessaan ilmalle, että kerrostetun metallin koostumus ei ole sama kuin alun perin. Nämä ongelmat ovat johtaneet sulatteiden ja inerttien atmosfäärien käyttöön.

Sulahitsauksessa juoksuttimella on suojaava rooli metallin hallitun reaktion helpottamisessa ja sitten hapettumisen estämisessä muodostamalla peitteen sulan materiaalin päälle. Fluxit voivat olla aktiivisia ja auttaa prosessissa tai ei-aktiivisia ja yksinkertaisesti suojata pintoja liitoksen aikana.

Inertillä ilmakehällä on samanlainen suojaava rooli kuin juoksutuksissa. Kaasusuojatussa metallikaari- ja kaasusuojatussa volframikaarihitsauksessa inertti kaasu - yleensä argon - virtaa poltinta ympäröivästä renkaasta jatkuvana virtana ja syrjäyttää ilman kaaren ympäriltä. Kaasu ei reagoi kemiallisesti metallin kanssa, vaan yksinkertaisesti suojaa sitä kosketukselta ilman hapen kanssa.

Metalliliitoksen metallurgia on tärkeä liitoksen toimintakyvyn kannalta. Valokaarihitsaus havainnollistaa kaikki liitoksen perusominaisuudet. Hitsauskaaren läpikulusta syntyy kolme vyöhykettä: (1) hitsausmetalli eli sulamisvyöhyke, (2) lämmön vaikutuksen alainen vyöhyke ja (3) ei-vaikuttava vyöhyke. Hitsausmetalli on se osa liitoksesta, joka on sulanut hitsauksen aikana. Lämmön vaikutusalue on hitsausmetallin vieressä oleva alue, jota ei ole hitsattu, mutta jonka mikrorakenne tai mekaaniset ominaisuudet ovat muuttuneet hitsauslämmön vuoksi. Muuttumaton materiaali on materiaali, jota ei ole kuumennettu riittävästi sen ominaisuuksien muuttamiseksi.

Hitsi-metallikoostumus ja olosuhteet, joissa se jäätyy (kiinteytyy), vaikuttavat merkittävästi liitoksen kykyyn täyttää käyttövaatimukset. Valokaarihitsauksessa hitsausmetalli koostuu täyteaineesta sekä sulaneesta perusmetallista. Kaaren ohituksen jälkeen tapahtuu hitsimetallin nopea jäähtyminen. Yksikierroshitsauksessa on valurakenne, jossa on pylväsmäisiä rakeita, jotka ulottuvat sulan altaan reunasta hitsin keskelle. Monipäästöhitsauksessa tätä valurakennetta voidaan muuttaa riippuen hitsattavasta metallista.

Hitsin tai lämmön vaikutuksen alaisen vyöhykkeen vieressä oleva perusmetalli altistetaan erilaisille lämpötilajaksoille, ja sen rakenteen muutos on suoraan verrannollinen minkä tahansa kohdan huippulämpötilaan, altistusaikaan ja jäähdytysnopeuksiin. Epäjalometallityyppejä on liian lukuisia tässä keskusteltavaksi, mutta ne voidaan ryhmitellä kolmeen luokkaan: (1) materiaalit, joihin hitsauslämmöt eivät vaikuta, (2) materiaalit, jotka ovat rakenteellisen muutoksen kovettuneet, (3) materiaalit, jotka ovat kovettuneet saostusprosesseilla.

Hitsaus synnyttää materiaaleihin jännityksiä. Nämä voimat syntyvät hitsimetallin supistumisen ja lämmön vaikutuksen alaisen alueen laajenemisen ja sitten supistumisen seurauksena. Kuumentamaton metalli rajoittaa yllä olevaa ja supistumisen vallitessa hitsimetalli ei voi supistua vapaasti ja liitokseen muodostuu jännitystä. Tämä tunnetaan yleisesti jäännösjännityksenä, ja joissakin kriittisissä sovelluksissa se on poistettava lämpökäsittelyllä koko valmistus. Jäännösjännitys on väistämätön kaikissa hitsatuissa rakenteissa, ja jos sitä ei valvota, tapahtuu hitsauksen taipumista tai vääristymistä. Ohjaus tapahtuu hitsaustekniikalla, jigeillä ja kiinnikkeillä, valmistusmenetelmillä ja lopullisella lämpökäsittelyllä.