Hitsauksella tarkoitetaan metallikappaleiden tai osien liittämistä toisiinsa käyttäen hyödyksi esimerkiksi lämpöä, puristusta tai vastusta. Yleisesti puhutaan sula-, puristus- ja vastushitsausmenetelmistä. Olemassa on monipuolisia erilaisia hitsausmenetelmiä, joista yleisimmät käytössä olevat ovat MAG-hitsaus (135), MIG-hitsaus (131), MAG-täytelanka (136), puikkohitsaus (111) ja TIG-hitsaus (141). Hitsausprosessien tunnusnumero suluissa. Vaihtoehtoja hitsaukselle ovat mm. liimaus, niittaus, pulttiliitos ja ruuvit.
Esimerkkejä hitsatuista tuotteista
Hitsatut tuotteet voivat olla esimerkiksi erilaisia teräsrakenteita, koneita, säiliöitä, siiloja, kuljettimia jne. Hitsattuja kappaleita tai rakenteita tulee tavallisesti käyttöön esimerkiksi teknologiateollisuuteen. Vahvoja esimerkkejä tuotteista ja laitteista ovat maa- ja metsätalouskoneet, autot, laivat ja teollisuuslaitteet.
Hitsausmenetelmät
Hitsaus on toimiva ja kestävä tapa liittää kappaleet toisiinsa, mikäli niitä ei aiota irrottaa toisistaan prosessin jälkeen. Hitsausmenetelmiä on erilaisia. Ne voidaan yleisesti luokitella sula-, puristus- ja vastushitsausmenetelmien alle. Sulahitsausmenetelmiä ovat mm. puikkohitsaus, MAG/MIG-hitsaus, TIG-hitsaus, jauhekaarihitsaus ja kaasuhitsaus. Puristushitsausmenetelmiin kuuluu mm. kitkahitsaus, ultraäänihitsaus, kaasupuristushitsaus ja ahjohitsaus sekä vastushitsausmenetelmiin kuuluu taas mm. pistehitsaus, kiekkohitsaus ja tyssähitsaus. Puristushitsausmenetelmät ovat hieman harvinaisempia kuin sulahitsausmenetelmät.
Teollisuudessa yleisin menetelmä on pääasiassa MIG/MAG- hitsausmenetelmä, koska kyseinen menetelmä on helppo esimerkiksi automatisoida. Puikkohitsausta taas käytetään vielä nykypäivänäkin esimerkiksi asennustyömailla. Puikkohitsausmenetelmä sopii hyvin ulko-olosuhteisiin, sillä siinä ei tarvita suojakaasua.
Hitsaus menetelmänä sopii hyvin kiinteisiin rakenteisiin. Esimerkiksi vaihtoehtona hitsaukselle on pulttiliitos, joka on taas erinomainen ja kestävä tapa väliaikaiseen liitokseen. Pulttiliitos sopii hyvin esimerkiksi erilaisiin koneisiin ja laitteisiin, joita tarvitsee huoltaa sekä väliaikaisiin rakennelmiin. Pulttiliitos on yksinkertainen toteuttaa eikä siihen tarvitse kalliita tai monimutkaisia työkaluja.
Hitsauksen soveltuvuus
Hitsaus soveltuu pääasiassa kahden metallikappaleen tai osan liittämiseen toisiinsa. Myös esimerkiksi muovin ja muiden ei-rautametallien hitsaus on mahdollista. Valmistettavien kappaleiden sarjojen koko korreloi suoraan hinnan kanssa. Mitä enemmän kyseistä kappaletta valmistetaan, sitä halvemmaksi yhden kappaleen hinta muodostuu.
Hitsaus voidaan suorittaa eri menetelmillä. Puristushitsauksessa pyritään kuumentamaan liitoskohdan pintoja ja puristamalla niitä toisiinsa. Vastushitsauksessa kuten pistehitsauksessa puristetaan kappaleita yhteen ja puristuskohdan läpi johdetaan voimakas sähkövirta, joka kuumentaa ja liittää yhteen kappaleet. Sulahitsauksessa kuten MIG/MAG- hitsausprosessissa sähkövirrasta syntyvä valokaari palaa kappaleen sekä lisäaineen välissä. Hitsauspistoolista jatkuvalla syötöllä tulee lisäainetta, joka sulaa kappaleeseen muodostaen näin yhtenäisen hitsisulan.
Hitsauksessa käytettävän perusaineen sulamislämpötila on oltava melkein sama kuin perusaineella. Hitsattavaan kappaleeseen syötetään myös suojakaasua. Käytössä on eri mallisissa hitsauslaitteistoissa käsi- ja automaattisyötöllä toimiva langansyöttö. Automaattisyötöllä mahdollistetaan pitkien saumojen hitsaaminen myös käsin.
MIG/MAG- hitsausprosessin hyötyinä on sen automatisoinnin helppous, jonka avulla päästään suurempaan tuotantoon halvemmalla. Automatisoinnin avulla saavutetaan parempi laatu, tuottavuus, kapasiteetti ja työn mielekkyys. MIG/MAG- hitsausprosessi ei sovellu tuulisiin olosuhteisiin koska tällöin ei saada tarpeeksi suojakaasua hitsisulan päälle. Kyseisen prosessin laitteisto on myös monimutkaisempi kuin esim. puikkohitsauksessa ja se vaatii huomattavasti enemmän huoltotoimenpiteitä.
Hitsauksen suunnittelu ja valmistus
Hitsauksen suunnittelu on tärkeä osa prosessin ja sen valmistuksen kannalta. Hitsauksen suunnittelijalla olisi hyvä olla käytännön kokemusta myös hitsaustyöstä, jotta hän ymmärtää prosessin kulun ja siihen liittyvät tekijät. Hitsauksen alustavassa suunnittelussa on otettava huomioon eri materiaalit ja niiden käyttäytymiset (mm. lämpölaajenemiset), hitsausmenetelmät ja niiden edut sekä rajoitukset ja hitsausjärjestys.
Valmistuksessa on otettava huomioon hitsauksen esivalmistelut, menetelmät sekä käsittelyt, jotka suoritetaan hitsauksen jälkeen. Prosessiin kuuluu siis esivalmistelun kannalta tärkeät railo- ja liitosmuodot sekä esilämmitys, hitsauksessa menetelmät ja hitsausjärjestys sekä hitsauksen jälkeen erilaiset lämpökäsittelyt. Hitsaus tulee suorittaa sellaisessa järjestyksessä, että kaikki kohdat saadaan hitsatuksi. Kantavissa teräsrakenteissa on valittava materiaalit huolella sekä suoritettava vaadittavat lujuuslaskennat.
Hitsauksen vaatimukset ja rajoitteet
Hitsaus soveltuu erilaisten terästen, metallien, ei-rautametallien, muovin ja keraamien liittämiseen toisiinsa. Näitä ovat esimerkiksi ruostumattomat teräkset, seosteräkset, säänkestävät teräkset, kovat teräkset, alumiini, kupari ja nikkeli.
Jotkin tuotteet, rakenteet tai standardit asettavat hitsausprosessille erillisiä vaatimuksia. Tämänkaltaisia tilanteita esiintyy esimerkiksi kovan kuormituksen, rasitteen, korroosion tai kulutuksen yhteydessä. Joissakin hitsausliitoksissa voi olla erillisiä vaatimuksia. Näitä voivat olla esimerkiksi hitsaussyvyys- ja tunkeuma, a- ja z-mitat, railon valmistelu ja hitsin ulkonäölle asetetut vaatimukset.
Myös joissakin tapauksissa hitsaushenkilöstölle on asetettu erilaisia vaatimuksia. Hitsaajan kohdalla puhutaan arkikielessä erilaisista hitsausluokista. Pätevyys on voimassa kaksi vuotta. Henkilö, joka vastaa hitsausprosesseista esimerkiksi yrityksessä, on oltava standardien mukaiset pätevyydet. Joissakin tapauksissa vaaditaan myös erillistä hyväksyttyä hitsausohjetta (WPS = Welding Procedure Specification).
Tekniset rajoitteet ja toleranssit
Tarkat toleranssit ovat haastavia esimerkiksi isoissa teräsrakenteissa, joissa on suurehkot lämpölaajenemiskertoimet. Isoissa hitsatuissa tuotteissa ja rakenteissa hitsausjärjestyksellä on suuri merkitys. Tämän takia myös kappaleiden silloitus tulee suorittaa huolellisesti, jotta rakenne pääsee elämään mahdollisimman vähän hitsauksen aikana.
Korroosio ja sen estäminen pyritään huomiomaan jo suunnittelussa. Esimerkiksi materiaalivalinnoilla on suuri merkitys korroosion synnyssä. Materiaalin tulee olla sopiva tuleviin käyttöolosuhteisiin. Ruostesuojamaalaus ei aina pysty estämään korroosiota kunnolla, mikäli jonnekin jää puhdistamattomia tai maalaamattomia kohtia. Myös vesitaskuja on vältettävä jo suunnitteluvaiheessa. Mikäli ne ovat välttämättömiä, on niihin huolehdittava nesteen poisto esimerkiksi rei’ityksellä.
Hitsatun tuotteen ulkonäkö
Hitsatuilla tuotteilla voi olla monia ulkonäkö- ja korroosiovaatimuksia. Ulkonäkövaatimuksiin vaikuttaa se, että onko tuote esimerkiksi julkisessa käytössä ja esillä. Korroosiovaatimuksiin vaikuttaa tuotteen käyttöolosuhteet, eli sijoittuuko se esimerkiksi ulko- vai sisäkäyttöön. Kyseisissä tilanteissa on mietittävä tarkkaan, että soveltuuko joihinkin tuotteisiin normaali teräs, vai onko käytettävä erikoisteräksiä, esimerkiksi ruostumattomia-, kovia- tai säänkestäviä teräksiä.
Kehityksen mahdollisuudet ja rajoitteet
Hitsausta on nykypäivänä automatisoitu laajasti. Tämän on mahdollistanut sen automatisoinnin helppous. Investoinnit ovat kuitenkin kalliita riippuen laitteistoista. Tuotantokapasiteetin ollessa suuri jo ennen automatisoinnin aloittamista, maksaa automatisointi itsensä takaisin melko nopeasti. Esimerkiksi sellaiset yritykset, jotka valmistavat samoja vakiotuotteitaan ja/tai osia suuria määriä, pystyvät organisoimaan automatisoidut hitsauslinjastot kohtalaisen helposti. Uniikkeja, esimerkiksi asiakkaiden tarpeisiin räätälöityjä tuotteita valmistavan yrityksen on huomattavasti vaikeampaa toteuttaa automatisointiprosessi kokonaisvaltaisesti. Tämäkin toki onnistuu, mutta se vie enemmän resursseja ja aikaa.
Pintakäsittelyt ja hoito
Hitsatuille pinnoille ja rakenteille on olemassa joissain tapauksissa erilaisia pintakäsittelyä koskevia vaatimuksia. Nämä tulee ottaa huomioon jo suunnittelun aikana. Maalaus on yleisin pinnankäsittelymenetelmä. Se on kohtuullisen halpa ja helposti toteutettavissa oleva menetelmä.
Kosteisiin olosuhteisiin hyvä menetelmä on esimerkiksi pintojen sinkitys. Sinkitys saattaa kestää jopa useita vuosikymmeniä. Yleisimpiä kohteita kuumasinkitykselle ovat ulko-olosuhteissa olevat portaat tai rappuset, joilla pitää olla hyvä korroosionkestävyys. Maalatussa pinnassa päästään kuitenkin yleisesti parempaan pinnanlaatuun kuin kuumasinkityksessä. Metallirakenteiden pinnat tulisi esikäsitellä, eli puhdistaa ennen maalaamista. Hyvä menetelmä tähän on esimerkiksi metalliraepuhallus.
Hitsauksen hyödyt, heikkoudet, hitsausvirheet
Hitsausvirheiden välttämiseksi hitsaajan on työn edetessä ja lopussa tarkkailtava vähintäänkin silmämääräisesti työn laatua. Kokenut hitsaaja pystyy helposti tunnistamaan yleisimmät hitsausvirheet. Myös hitsin a- ja z-mittoja voi ja kannattaa tarkkailla tarvittaessa. Olemassa on myös tarkempia laatumenetelmiä, kuten esimerkiksi tunkeuma nesteellä tai ultraäänellä tehtävä saumojen tarkistus.
Yleisimpiä hitsausvirheitä ovat erilaiset halkeamat, huokoset ja muut poikkeamat hitsissä, a- ja z-mittojen vaihtelut, reunahaavat, erilaiset sytytysjäljet sekä roiskeet pinnalla. Silmämääräisesti havaittavissa oleville virheille on tehtävä välittömästi korjaustoimenpiteet, jotta laatu ei kärsi. Yleisimmät syyt hitsausvirheisiin ovat hitsauslaitteiston väärät säätöarvot sekä kuljetusnopeudet. Hitsatuissa rakenteissa vauriot voivat alkaa hitsauskohdasta ja syynä tähän on yleisesti hitsausvirheet, hitsausmuodonmuutos, hitsausjännitykset, materiaalin ominaisuuksien muuttuminen ja rakenteen geometrinen epäjatkuvuuskohta.
Merkinnät ja määritykset
Hitsausprosesseilla on olemassa erilaisia vaatimuksia myös standardien, toleranssien ja piirrosmerkintöjen suhteen. Esimerkiksi vuodesta 2014 alkaen CE- merkintä on pakollinen alumiini- ja teräsrakenteissa konepajatoiminnassa sekä asennustyömailla. Suunnittelijalla on oltava tietoa alalla käytettävistä vaatimuksista ja määrityksistä.
Tärkeimmät hitsaukseen sekä hitsattuihin rakenteisiin liittyvät standardit ovat seuraavanlaiset:
- SFS-EN ISO 13920 Hitsattujen teräsrakenteiden yleiset mittatoleranssit
- SFS-EN 1090-1+A1 CE- merkintä hitsatuissa rakenteissa
- SFS-EN 1090-2+A1 CE- merkittyjen tuotteiden hitsaus asennustyömailla
- SFS-EN ISO 2553 Yleinen hitsausmerkintästandardi
Esimerkki merkinnöistä
Valmistuspiirustuksiin on merkittävä kaikki hitsauksen ja valmistuksen kannalta kriittiset tiedot, jotta tuote voidaan valmistaa edellä mainittujen säädösten mukaisesti. Mikäli standardimäärittelyjä ei ole mainittu, on käytettävä alalla hyväksyttyjä standardeja.
Hitsausmerkit piirretään valmistuspiirustuksissa ”haarukkaviivalle”, jossa nuoli osoittaa hitsattavaan pintaan. Viivalle voidaan merkitä esimerkiksi hitsin tyyppi, hitsausmenetelmä, hitsausasento, hitsin sijainti, lisäaine, hitsauksen ajankohta (heti vai esim. asennuspaikalla), a- ja z- mitat jne. Piirustuksissa tulee näkyä kaikki tarvittava tieto kyseisen hitsin ja/tai materiaalin asettamien vaatimusten täyttämiseksi.