(Artikkeli on julkaistu Hitsaustekniikka-lehdessä 3/2010) Uuden plasmahitsausjärjestelmän kehitystavoitteina ovat olleet hitsipalkojen laadun parantaminen sekä hitsausroiskeiden ja -savujen vähentäminen. Tässä artikkelissa selostetaan MIG/MAG- ja plasmahitsausvirtalähteiden, langansyöttölaitteen ja koaksiaalisen plasma MIG/MAG -hitsauspolttimen rakenne ja toiminta. Lisäaineen siirtymistä plasma MIG/MAG –hitsauksessa tarkkaillaan ja vertaillaan MIG/MAG -pulssihitsaukseen nähden. Vaikka kummassakin prosessissa saavutetaan yksi sulapisara pulssia kohden, plasma MIG/MAG-hitsauksessa saavutetaan kuitenkin tasaisempi lisäaineen siirtyminen perinteiseen MIG/MAG-pulssihitsaukseen nähden. Lopputuloksena on, että kehitetyllä uudella järjestelmällä roiskeita ja savua syntyy radikaalisti vähemmän ja hitsipalot ovat ulkomuodoltaan hyviä. Plasman virta vaikuttaa Al-Mg seoslangan (JIS A5183-WY) sulamisominaisuuksiin, mutta vaikutus on osoittautunut vähäisemmäksi niukkahiilisellä teräslangalla (JIS YGW-15). Alumiiniseoksilla plasma MIG:lla tuotettu hitsipalko tasoittuu ja tunkeuma syvenee, kun plasman virtaa kasvatetaan. Teräksillä plasman virran kasvattaminen ei kuitenkaan syvennä tunkeumaa.

1. Johdanto

MIG/MAG-hitsaus on teollisuudessa yleisimmin käytetty hitsausprosessi. Sen käytön yleisyys ajoneuvo-, laivanrakennus- ja muilla raskaanteollisuuden aloilla perustuu korkeaan tuottavuuteen ja alhaisiin laitteistokustannuksiin. Haittapuolina ovat hitsattaessa syntyvät roiskeet ja kaasut, jotka ovat haitaksi ympäröivälle ilmalle ja hitsareiden terveydelle. Nämä tekijät huomioiden tulee kehittää uusi hitsausprosessi, joka ehkäisee ympäröivän ilman saastumista.

Toisaalta hitsin rajaviivan kulma on tärkeässä asemassa hitsatun rakenteen väsymislujuuteen. Uusi hitsausprosessi, jolla on korkea suorituskyky ja saastuttaa vähän ympäristöä, on välttämätön pitkäkestoisten ja kauniiden hitsiliitosten aikaansaamiseksi.

Plasma MIG/MAG prosessin käyttöä on esitetty 1970-luvulta lähtien. Prosessissa plasman valokaari on indusoitu MIG/MAG-hitsausprosessiin. Kun suuren sähkönjohtavuuden omaava plasma tuodaan MIG/MAG langan ympärille, niin langasta tuleva sähkövirta ei ole enää riippuvainen sen omasta kaaripurkauksesta. Tämä tarjoaa etuja, kuten parempi valokaaren stabiilius, metallin siirtyminen ja lämmöntuonti.

Kuitenkaan plasma MIG/MAG-hitsausprosessia ei ole sovellettu käytännössä tähän mennessä. Sen vuoksi OTC Daihen on kehittänyt uuden plasma MIG/MAG-hitsausjärjestelmän, jonka ominaisuudet selostetaan seuraavaksi tarkemmin.

2. Plasma MIG/MAG-hitsausjärjestelmän kokoonpano

2.1 Hitsauspoltin

Plasma MIG/MAG-hitsauspoltin on koaksiaalinen vesijäähdytteinen poltin, jonka paloaikasuhde on 60 % virran ollessa 250 A sekä MIG/MAG että plasma prosesseilla. Hitsauspolttimen rakenne on esitetty kuvassa 1. MIG/MAG lanka kulkee keskellä poltinta ja se on yhteydessä virtasuuttimeen. Pyöreä vesijäähdytteinen plasmaelektrodi ympäröi virtasuutinta, josta se on eristetty keraamisella eristimellä. Polttimen sisällä kulkee kolme eri kaasukanavaa argonia ja argon-hiilidioksidi seosta varten. Kaasunvirtauskanavista MIG/MAG-, plasma- ja suojakaasutarkoitukseen käytetään vastaavasti nimityksiä keskus-, plasma- ja suojakaasu. Normaalisti argon-kaasua käytetään keskus- ja plasmakaasuna. Suojakaasuna käytetään seos (80% Ar + 20% CO2) tai argon-kaasua riippuen hitsattavista materiaaleista. Kaasunvirtauksena käytetään 5 l/min keskus-, 10 l/min plasma- ja 10 l/min suojakaasulle. Vesijäähdytyksellä on kolme jäähdytyskohdetta, virtasuutin, plasmaelektrodi ja plasmasuutin, joille on tuotettavissa 246 kJ/min jäähdytysteho. Yleiskuva plasma MIG/MAG-järjestelmästä on esitetty kuvassa 2.

Kuva 1. Plasma MIG/MAG-hitsausjärjestelmä.

Kuva 2. Plasma MIG/MAG-hitsausjärjestelmän laitekokoonpano.

2.2 Hitsausvirtalähde

Hitsausvirtalähteinä toimivat digitaalisesti ohjatut invertteri MIG/MAG- ja plasma hitsausvirtalähteet. Tasavirtapulssi on käytössä sekä MIG/MAG- että plasmakoneessa. Valokaaren pituutta MIG/MAG
-prosessissa hallitaan jännitesignaalin takaisinkytkennän avulla. Pulssin huippuvirtaa ja sen kestoa sekä perusvirtaa voidaan säätää vapaasti. Plasmavirtalähteessä on vakiovirtaominaisuudet. Pulssin huippuvirtaa ja sen kestoa, perusvirtaa, huippu- ja perusvirran keston toimintajaksoa ja taajuutta voidaan säätää mielivaltaisesti. Järjestelmässä on mahdollista hallita DC-pulssivaihetta MIG/MAG ja plasmakoneissa, sillä tasavirtalähteet ovat yhteydessä toisiinsa liityntäkortin kautta.

2.3 Langansyöttölaite

Langansyöttölaite on toimintatavaltaan työntävä ja sen moottori on AC-servo-ohjattu. Langansyötön maksiminopeus on 30 m/min. Plasma MIG/MAG-hitsausjärjestelmässä on käytössä hitsauksen aloituksessa langan sisäänvetotoiminto (Retract arc start, RS). Prosessissa valokaaren sytytys tapahtuu seuraavissa vaiheissa. Kun valokaaresta saadaan signaali, langansyöttölaite alkaa syöttää lankaa. Samaan aikaan, kuormittamaton jännite johdetaan plasmaelektrodin ja perusaineen välille. Vastaavasti langan ja perusaineen välille johdetaan vakiojännite. Heti, kun lanka koskettaa perusainetta, langansyöttölaite vetää lankaa sisäänpäin. Tällöin syntyy valokaari virtasuuttimen ja perusaineen välille. Kun valokaaren pituus on riittävä ja langan pää on plasmaelektrodin lähistöllä, syntyy plasman valokaari elektrodin ja perusaineen välille. Samaan aikaan langansyöttölaite syöttää uudelleen lankaa ulos. Tällöin on sytytetty sekä plasma että MIG/MAG valokaaret.

3. Plasma MIG/MAG–hitsauksen ominaisuudet

3.1 Valokaari-ilmiö

Kuvassa 3 on esitetty hitsausvirran aaltomuoto, kaarijännite ja suurnopeuskameralla otettuja kuvia niukkahiilisen teräksen pulssi- ja plasma MIG/MAG-hitsauksessa. Käytetty langansyöttönopeus sekä pulssi- että plasmahitsauksessa on 10 m/min. Käytetty hitsausvirta pulssi MIG/MAG-hitsauksessa on 284 A, kun etäisyys tavallisen MIG/MAG-hitsauspolttimen virtasuuttimesta kappaleeseen on 15 mm. Plasma MIG/MAG-hitsauksessa käytetty MIG/MAG-hitsausvirta on 190 A ja plasmalla 125 A, virtasuuttimen etäisyyden ollessa 30 mm.

Pulssi MIG/MAG-hitsauksessa valokaaren rakenne on puhdas jopa perusjakson kestolla. Valokaari on epästabiili, kun pulssitettu MIG/MAG-hitsausvirta vaihtuu perusvirrasta pulssin huippuvirtaan. Tästä seuraa usein roiskeiden syntyminen, koska valokaaren paine lähellä langan päätä pitäisi olla korkea johtuen puhtaasta valokaaresta hitsauksen huippupulssin aikana, kuten kuvassa 3 (a) on esitetty.

Plasma MIG/MAG-hitsauksessa valokaaren rakenne perusvirtajaksolla ei ole puhdas, vaan hajaantunut, ja plasma syötetään selvästi suuttimesta. Valokaaren hajaantunut reunan rakenne plasma MIG/MAG-hitsauksessa on esitetty kuvassa 3 (b). Erityisesti muutos valokaaren rakenteessa perusvirrasta huippupulssivirtaan on äärettömän tasainen, kuten kuvasta 3 (b) voidaan nähdä. Pulssin huippuvirtajaksolla valokaaren rakenne ei ole yhtä puhdas kuin pulssi MIG/MAG-hitsauksessa, jolla on vähentävä vaikutus savukaasujen syntymiseen, koska irtoavista lisäainepisaroista tulee metallihöyryä hyvin vähän pulssin huippuvirran aikana. Pulssin huippuvirralla saavutetaan hyvin tasainen lisäaineen pisaran irtoaminen. Hajaantuneesta valokaaren rakenteesta johtuva alhaisempi valokaaren paine ei häiritse pisaran irtoamista langan päästä ja johtaa näin roiskeiden vähentymiseen.

Jännitteen aaltoilusta voidaan päätellä, että valokaari on stabiili pulssin huippuvirtajakson aikana plasma MIG/MAG-hitsauksessa. Vähemmän roiskeita synnyttävä hitsausprosessi verrattuna pulssi MIG/MAG-hitsaukseen on saavutettavissa plasma MIG/MAG-hitsausprosessilla.

Kuva 3. Valokaari-ilmiöiden vertailu plasma ja pulssi MIG/MAG-hitsauksissa. a) Pulssitettu MIG/MAG-hitsaus b) Plasma MIG/MAG-hitsaus

3.2 Langan sulamisominaisuudet

Kuvassa 4 on esitetty MIG/MAG ja plasma virtojen välinen yhteys käytettäessä niukkahiilistä teräsumpilankaa (YGW-15) halkaisijaltaan 1.2 mm ja langansyöttönopeuden ollessa 13 m/min. Kun plasmavirta on 0 A, plasma MIG/MAG-hitsaus on itse asiassa pulssitettua MIG/MAG-hitsausta. Tällöin MIG/MAG virta on 293 A, kun virtasuuttimen etäisyys on 30 mm ja polttimena käytetään plasma MIG/MAG-hitsauspoltinta. MIG/MAG virta tippuu 293 A:sta 240 A:in, kun plasman virtaa lisätään 0 A:sta 150 A:in.

Kuva 4. Plasman virran vaikutus MIG/MAG virtaan niukkahiilisellä teräslangalla.

Kuva 5. Plasman virran vaikutus MIG/MAG virtaan alumiiniseoslangalla.

Kuvassa 5 on esitetty MIG ja plasma virtojen välinen yhteys käytettäessä alumiinilankaa (JIS A5183-WY) halkaisijaltaan 1.2 mm ja langansyöttönopeuden ollessa 7,5 m/min. Kun plasmavirta on 0 A, plasma MIG-hitsaus on itse asiassa pulssitettua MIG-hitsausta. Tällöin MIG virta on 120 A, kun virtasuuttimen etäisyys on 30 mm. MIG virta tippuu 120 A:sta 70 A:in, kun plasman virtaa lisätään 0 A:sta 50 A:in. Tämä tarkoittaa, että plasman valokaaren esilämmityksen teho edistää alumiinilangan sulamisnopeutta. Pulssitettu MIG virta kuitenkin laskee hieman, kun plasman virta kasvaa 50 A:sta 125 A:in. Tarkkailtaessa ilmiötä MIG-hitsauksen aikana, voidaan todeta, että plasman tiheys elektrodilangan ympärillä on hieman muuttunut, kun plasmavirta on yli 50 A.

3.3 Plasman virran vaikutus hitsipalon profiiliin ohutlevyjen hitsauksessa

Kuvassa 6 on esitetty plasman virran vaikutus hitsipalon ulkonäköön ja päällekkäisliitoksen poikkileikkaukseen hitsattaessa 3.2 mm vahvuista niukkahiilistä terästä. Kyseisissä plasma MIG/MAG hitseissä on suojakaasuna käytetty seoskaasua 80% Ar + 20% CO2. Plasma MIG/MAG käyttäytyy kuitenkin kuin pulssitettu MIG/MAG-hitsaus, kun plasman virtana käytetään 0 A. Perinteisessä pulssi MIG/MAG-hitsauksessa hitsipalossa saavutetaan syvä tunkeuma keskellä ja pieni rajaviivan kylkikulma. Kun plasman virtaa lisätään, plasma MIG/MAG-hitsauksessa saavutetaan kuitenkin matalampi tunkeuma ja leveämpi hitsipalko verrattuna pulssi MIG/MAG-hitsaukseen.

Kuva 6. Plasman virran vaikutus hitsipalon ulkonäköön ja poikkileikkaukseen.

3.4 Plasman virran vaikutus hitsipalon profiiliin alumiiniseosten hitsauksessa

Kuvassa 7 on esitetty plasman virran vaikutus hitsipalon muotoon ja tunkeumaan hitsattaessa alumiiniseoslevyjä käyttäen 1.2 mm Al-Mg hitsilankaa (JIS A5183-WY), langansyötön ollessa 7.5 m/min ja htsausnopeuden 50 cm/min. Lopputuloksena havaitaan kapea ja korkea hitsikupu sekä matala tunkeuma, kun plasman virta on alle 50 A. Hitsin leveys ja tunkeuma kasvavat plasman tuottaman lisääntyneen lämmöntuonnin johdosta, kun plasman virta on yli 75 A.

Kuva 7. Plasman virran vaikutus hitsipalon profiiliin alumiiniseosten hitsauksessa.

Kuvassa 8 on esitetty plasma ja pulssi MIG/MAG hitsiliitosten ulkonäkö ja poikkileikkaus. Pulssi MIG/MAG hitsiliitoksessa hitsipalon ympärillä on mustaa nokea, mutta plasma MIG/MAG hitsiliitos on aivan puhdas mustasta noesta riippumatta plasman virrasta. Musta noki sisältää magnesiumoksidia, alumiinioksidia ja alumiinia. Koska plasma MIG/MAG-hitsauksessa pisaran irtoamis- ja siirtymisvaiheessa pisara irtoaa langan päästä matalalla energialla ja siirtyy tasaisesti hitsisulaan plasmakaaren johdosta, magnesiumin ja alumiinin oksidointi ja haihtuminen häviävät.

Kuvassa 8 on esitetty plasma MIG-hitsauksen lopputuloksena saavutettu puhdas ja täsmällinen hitsisauma, kuten TIG- ja plasmahitsauksessa. Plasma MIG-hitsauksen käyttö soveltuu hyvin rakenteisiin, kuten moottoripyörän runko, jossa vaatimuksena on hitsisaumojen hyvä ulkoasu.

Kuva 8. Kuva 8. Al-Mg levyjen päällekkäisliitosten hitsausta plasma ja pulssi MIG prosesseilla.

4. Johtopäätökset

OTC Daihenin kehittämä uusi plasma MIG/MAG-hitsausjärjestelmä on kehitetty käyttäen koaksiaalista plasma MIG/MAG poltinta, tarkoituksena parantaa hitsipalon ulkonäköä ja vähentää roiskeiden sekä savukaasujen syntymistä. Sillä voidaan saavuttaa stabiili metallin siirtyminen langan päästä perusmetalliin, johtuen tasaisesta muutoksesta pulssin perusvirrasta huippuvirtaan ja tasaisesta pisaran irtoamisesta.

Puhdas hitsausprosessi saavutetaan plasman valokaaren ja tasaisen metallinsiirtymisen johdosta. Kasvattamalla plasman virtaa, hitsipalosta tulee tasainen ja tunkeuma syvenee hitsatessa Al-Mg seosta.
Vaikka terästä hitsattaessa hitsipalko levenee, kun plasman virtaa kasvatetaan, niin tunkeuma ei kuitenkaan syvene.

Lisätietoja:
Kimmo Yli-Anttila
Finnrobotics Oy
050 – 383 4800
info(at)finnrobotics.fi

Finnrobotics Oy on robottihitsaukseen erikoistunut järjestelmätoimittaja ja Nachi- ja OTC-robottien maahantuoja. OTC:n tuotevalikoimaan kuuluvat myös hitsauskoneet ja hitsausvarusteet. Vahvojen päämiestensä ansiosta Finnrobotics pystyy tarjoamaan asiakkailleen alan parhaan kansainvälisen asiantuntemuksen ja viimeisimmän teknologian. Robottien lisäksi Finnrobotics toimittaa laadukkaat kotimaiset servo-ohjatut portaalit, lattia- ja seinäradat, modulaariset hitsauspöydät, hitsauskoneet ja muut oheislaitteet asiakkaidensa tarpeiden mukaisesti kokonaisjärjestelmäksi integroituna, avaimet käteen periaatteella.