Kaasumetallikaarihitsauksen suorittamiseksi tarvittavia peruslaitteita ovat hitsauspistooli, langansyöttöyksikkö, hitsausvirtalähde, hitsauselektrodilanka ja suojakaasun syöttö.
Hitsauspistooli ja langansyöttöyksikkö Muokkaa
Tyypillisessä gmaw-hitsauspistoolissa on useita keskeisiä osia-ohjauskytkin, kosketuskärki, virtajohto, kaasusuutin, elektrodijohto ja -vuori sekä kaasuletku. Kun käyttäjä painaa ohjauskytkintä tai liipaisinta, se käynnistää langansyötön, sähkövirran ja suojakaasun virtauksen, jolloin valokaari syttyy. Kosketuskärki, joka on tavallisesti valmistettu kuparista ja joskus kemiallisesti käsitelty roiskeiden vähentämiseksi, on liitetty hitsausvirtalähteeseen virtajohdon kautta ja siirtää sähköenergian elektrodiin ohjaten sen samalla hitsausalueelle. Sen on oltava tukevasti kiinnitetty ja oikein mitoitettu, koska sen on sallittava elektrodin kulku ja säilytettävä samalla sähköinen kosketus. Matkalla kosketuskärkeen lanka on suojattu ja ohjattu elektrodiputkella ja vuorauksella, jotka auttavat estämään lommahduksia ja säilyttämään langan keskeytymättömän syötön. Kaasusuutin ohjaa suojakaasun tasaisesti hitsausalueelle. Epätasainen virtaus ei välttämättä suojaa hitsausaluetta riittävästi. Suuremmat suuttimet tuottavat suuremman suojakaasuvirtauksen, mikä on hyödyllistä suurvirtahitsauksessa, jossa syntyy suurempi sulan sulan hitsausallas. Suojakaasusäiliöistä lähtevä kaasuletku syöttää kaasun suuttimeen. Joskus hitsauspistooliin on myös integroitu vesiletku, joka jäähdyttää pistoolin kovassa kuumuudessa.
Langansyöttöyksikkö syöttää elektrodin työhön ja ajaa sen putken läpi kosketuskärkeen. Useimmat mallit toimittavat lankaa vakiosyöttönopeudella, mutta kehittyneemmät koneet voivat vaihdella syöttönopeutta valokaaren pituuden ja jännitteen mukaan. Joillakin langansyöttölaitteilla voidaan saavuttaa jopa 30 m/min (1200 in/min) syöttönopeus, mutta puoliautomaattisen GMAW:n syöttönopeudet vaihtelevat tyypillisesti välillä 2-10 m/min (75-400 in/min).
TyökalutyyppiMuokkaa
Yleisimmin käytetty elektrodinpidin on puoliautomaattinen ilmajäähdytteinen pidin. Paineilma kiertää sen läpi kohtuullisten lämpötilojen ylläpitämiseksi. Sitä käytetään pienemmillä virranvoimakkuuksilla kierre- tai puskusaumojen hitsaukseen. Toiseksi yleisin elektrodipidike on puoliautomaattinen vesijäähdytteinen, jossa ainoa ero on, että vesi korvaa ilman. Siinä käytetään korkeampia virtatasoja T- tai kulmaliitosten hitsaukseen. Kolmas tyypillinen pidintyyppi on vesijäähdytteinen automaattinen elektrodipidinpidin, jota käytetään tyypillisesti automatisoiduissa laitteissa.
VirtalähdeMuokkaa
Useimmissa kaasumetallikaarihitsauksen sovelluksissa käytetään vakiojännitevirtalähdettä. Tämän seurauksena mikä tahansa muutos valokaaren pituudessa (joka on suoraan yhteydessä jännitteeseen) johtaa suureen muutokseen lämmöntuonnissa ja virrassa. Lyhyempi valokaaren pituus aiheuttaa paljon suuremman lämmöntuonnin, mikä saa lankaelektrodin sulamaan nopeammin ja siten palauttamaan alkuperäisen valokaaren pituuden. Tämä auttaa käyttäjiä pitämään valokaaren pituuden tasaisena myös silloin, kun hitsataan käsin käsikäyttöisillä hitsauspistooleilla. Samanlaisen vaikutuksen saavuttamiseksi käytetään joskus vakiovirtalähdettä yhdessä kaarijänniteohjatun langansyöttöyksikön kanssa. Tällöin valokaaren pituuden muutos saa langansyöttönopeuden mukautumaan niin, että valokaaren pituus pysyy suhteellisen vakiona. Harvoissa tapauksissa vakiovirtalähde ja vakiolangansyöttönopeusyksikkö saatetaan yhdistää, erityisesti sellaisten metallien hitsauksessa, joilla on korkea lämmönjohtavuus, kuten alumiini. Tämä antaa käyttäjälle lisähallinnan hitsaukseen syötettävään lämpömäärään, mutta vaatii huomattavaa ammattitaitoa onnistuakseen.
Vaihtovirtaa käytetään harvoin GMAW-hitsauksessa; sen sijaan käytetään tasavirtaa ja elektrodi on yleensä positiivisesti varattu. Koska anodissa on yleensä suurempi lämpökonsentraatio, tämä johtaa syöttölangan nopeampaan sulamiseen, mikä lisää hitsin tunkeumaa ja hitsausnopeutta. Napaisuus voidaan kääntää vain silloin, kun käytetään erityisiä emissiopinnoitettuja elektrodilankoja, mutta koska nämä eivät ole suosittuja, negatiivisesti varautunutta elektrodia käytetään harvoin.
ElektrodiEdit
Elektrodi on metalliseoksesta valmistettu lanka, jota kutsutaan MIG-langaksi ja jonka valinta, metalliseos ja koko, perustuu ensisijaisesti hitsattavan metallin koostumukseen, käytettävään prosessin muunnelmaan, liitoksen suunnitteluun ja materiaalin pintaolosuhteisiin. Elektrodin valinta vaikuttaa suuresti hitsin mekaanisiin ominaisuuksiin ja on keskeinen tekijä hitsin laadun kannalta. Yleisesti ottaen valmiilla hitsiaineella pitäisi olla samanlaiset mekaaniset ominaisuudet kuin perusmateriaalilla, eikä hitsissä saisi olla vikoja, kuten epäjatkuvuuskohtia, mukana kulkeutuneita epäpuhtauksia tai huokoisuutta. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi on olemassa monenlaisia elektrodeja. Kaikki kaupallisesti saatavilla olevat elektrodit sisältävät pieninä osuuksina hapenpoistometalleja, kuten piitä, mangaania, titaania ja alumiinia, jotka auttavat estämään happihuokosten muodostumista. Joissakin elektrodeissa on denitrifioivia metalleja, kuten titaania ja zirkoniumia, typpihuokosten välttämiseksi. Prosessin vaihtelusta ja hitsattavasta perusaineesta riippuen GMAW-menetelmässä käytettävien elektrodien halkaisijat ovat yleensä 0,7-2,4 mm (0,028-0,095 tuumaa), mutta ne voivat olla jopa 4 mm (0,16 tuumaa). Pienimmät, yleensä enintään 1,14 mm:n (0,045 tuuman) elektrodit liittyvät oikosulkumetallisiirtoprosessiin, kun taas yleisimmät ruiskusiirtoprosessimoodin elektrodit ovat yleensä vähintään 0,9 mm:n (0,035 tuuman) kokoisia.
SuojakaasuEdit
Suojakaasut ovat välttämättömiä kaasumetallikaarihitsauksessa, jotta hitsausalue voidaan suojata ilmakehän kaasuilta, kuten typeltä ja hapelta, jotka voivat aiheuttaa sulamisvirheitä, huokoisuushäiriöitä ja hitsausmetallien haurastumista joutuessaan kosketuksiin elektrodin, valokaaren tai hitsausmetallin kanssa. Tämä ongelma on yhteinen kaikille kaarihitsausprosesseille; esimerkiksi vanhemmassa suojametallikaarihitsausprosessissa (SMAW) elektrodi on päällystetty kiinteällä vuolla, joka kehittää suojapilven hiilidioksidia, kun valokaari sulattaa sitä. GMAW-menetelmässä elektrodilangassa ei kuitenkaan ole vuopäällystettä, ja hitsin suojaamiseen käytetään erillistä suojakaasua. Näin vältytään kuonalta, joka on hitsauksen jälkeen muodostuva kova jäännös, joka on poistettava, jotta valmis hitsi saadaan näkyviin.
Suojakaasun valinta riippuu useista tekijöistä, joista tärkeimpiä ovat hitsattavan materiaalin tyyppi ja käytettävä prosessin vaihtelu.
Suojakaasun valinta riippuu useista tekijöistä, joista tärkeimpiä ovat hitsattavan materiaalin tyyppi ja prosessin vaihtelu. Puhtaita suojakaasuja, kuten argonia ja heliumia, käytetään vain muiden kuin rautametallien hitsauksessa; teräksen kanssa ne eivät tuota riittävää hitsin tunkeumaa (argon) tai aiheuttavat epätasaisen valokaaren ja edistävät roiskeita (helium). Puhdas hiilidioksidi taas mahdollistaa syvälle tunkeutuvan hitsauksen, mutta edistää oksidien muodostumista, mikä vaikuttaa haitallisesti hitsin mekaanisiin ominaisuuksiin. Sen alhaiset kustannukset tekevät siitä houkuttelevan vaihtoehdon, mutta valokaariplasman reaktiivisuuden vuoksi roiskeita ei voida välttää ja ohuiden materiaalien hitsaus on vaikeaa. Tämän vuoksi argonia ja hiilidioksidia sekoitetaan usein 75 %/25 % tai 90 %/10 % seokseksi. Yleisesti ottaen lyhytaikaisessa GMAW-hitsauksessa suurempi hiilidioksidipitoisuus lisää hitsauslämpöä ja -energiaa, kun kaikki muut hitsausparametrit (jännite, virta, elektrodityyppi ja halkaisija) pidetään samoina. Kun hiilidioksidipitoisuus nousee yli 20 %:n, ruiskusiirto-GMAW:stä tulee yhä ongelmallisempaa erityisesti pienemmillä elektrodien halkaisijoilla.
Argonia sekoitetaan yleisesti myös muiden kaasujen, hapen, heliumin, vedyn ja typen kanssa. Enintään 5 % hapen lisääminen (kuten edellä mainitut korkeammat hiilidioksidipitoisuudet) voi olla hyödyllistä ruostumattoman teräksen hitsauksessa, mutta useimmissa sovelluksissa hiilidioksidia käytetään kuitenkin mieluummin. Lisääntynyt happi saa suojakaasun hapettamaan elektrodin, mikä voi johtaa huokoisuuteen pinnoitteessa, jos elektrodissa ei ole riittävästi hapenpoistoaineita. Liiallinen happi, erityisesti jos sitä käytetään sovelluksissa, joihin sitä ei ole määrätty, voi johtaa haurastumiseen lämpövaikutusalueella. Argon-helium-seokset ovat erittäin inerttejä, ja niitä voidaan käyttää ei-rautapitoisiin materiaaleihin. Heliumpitoisuus 50-75 % nostaa vaadittavaa jännitettä ja lisää valokaaren lämpöä heliumin korkeamman ionisaatiolämpötilan vuoksi. Argoniin lisätään joskus vetyä pieninä pitoisuuksina (enintään noin 5 %) nikkelin ja paksujen ruostumattomien teräskappaleiden hitsaukseen. Suurempina pitoisuuksina (jopa 25 % vetyä) sitä voidaan käyttää johtavien materiaalien, kuten kuparin, hitsaamiseen. Sitä ei kuitenkaan pidä käyttää teräksen, alumiinin tai magnesiumin hitsaukseen, koska se voi aiheuttaa huokoisuutta ja vetyhaurastumista.
Saatavilla on myös kolmen tai useamman kaasun suojakaasuseoksia. Argonin, hiilidioksidin ja hapen seoksia markkinoidaan terästen hitsaukseen. Muissa seoksissa argon-happi-yhdistelmiin lisätään pieni määrä heliumia. Näiden seosten väitetään mahdollistavan korkeamman kaarijännitteen ja hitsausnopeuden. Helium toimii joskus myös peruskaasuna, johon lisätään pieniä määriä argonia ja hiilidioksidia. Koska helium on kuitenkin vähemmän tiheää kuin ilma, se suojaa hitsiä huonommin kuin argon, joka on tiheämpää kuin ilma. Se voi myös aiheuttaa ongelmia valokaaren vakaudessa ja tunkeutumisessa sekä lisätä roiskeita, koska valokaariplasma on paljon energisempi. Helium on myös huomattavasti kalliimpaa kuin muut suojakaasut. Muut erikoisvalmisteiset ja usein omat kaasuseokset väittävät vielä suurempia etuja tiettyihin sovelluksiin.
Myrkyllisyydestään huolimatta pieniä määriä typpioksidia voidaan käyttää estämään vielä hankalamman otsonin muodostuminen valokaaressa.
Suojakaasun toivottu virtausnopeus riippuu ensisijaisesti hitsausgeometriasta, -nopeudesta, -virrasta, kaasutyypistä ja metallinsiirtotavasta. Tasopintojen hitsaaminen vaatii suuremman virtauksen kuin uritettujen materiaalien hitsaaminen, koska kaasu hajoaa nopeammin. Nopeammat hitsausnopeudet merkitsevät yleensä sitä, että kaasua on syötettävä enemmän riittävän peiton aikaansaamiseksi. Lisäksi suurempi virta edellyttää suurempaa virtausta, ja yleensä tarvitaan enemmän heliumia riittävän peiton aikaansaamiseksi kuin argonia käytettäessä. Ehkä tärkeintä on se, että GMAW:n neljällä ensisijaisella variaatiolla on erilaiset suojakaasun virtausvaatimukset – oikosulku- ja pulssisuihkutustilojen pienille hitsausaltaille soveltuu yleensä noin 10 l/min (20 ft3/h), kun taas pallomaisessa siirrossa suositellaan noin 15 l/min (30 ft3/h). Ruiskutussiirtomuunnos edellyttää yleensä suurempaa suojakaasuvirtausta, koska sen lämmöntuotto on suurempi ja hitsausallas siten suurempi. Tyypilliset kaasuvirtausmäärät ovat noin 20-25 L/min (40-50 ft3/h).
GMAW-pohjainen kolmiulotteinen tulostus Muokkaa
GMAW:tä on käytetty myös edullisena menetelmänä metalliesineiden kolmiulotteiseen tulostukseen. Erilaisia avoimen lähdekoodin 3D-tulostimia on kehitetty käyttämään GMAWia. Tällaiset alumiinista valmistetut komponentit kilpailevat mekaanisella lujuudella perinteisemmin valmistettujen komponenttien kanssa. Muodostamalla ensimmäiseen kerrokseen huonon hitsin GMAW-tulostetut kolmiulotteiset osat voidaan irrottaa alustasta vasaralla.