Hitsaus

Hitsauksen historiaa

Jo muinaisten egyptiläisten haudoista on löydetty esineitä ja astioita, joiden osia on liitetty toisiinsa hopeajuotoksella. Nämä juotokset ovat ensimmäisiä tunnettuja metallien yhteenliitoksia. Myös hitsaus on vanha liitosmenetelmä. On muun muassa löydetty miekkoja, joiden kovempi teräosa on liitetty ahjohitsauksella pehmeämpään runko-osaan. 1800-luvulla kehitettiin muunkinlaista liittämistä; venäläinen Nikolai Bernados kehitti vuonna 1882 niin kutsutun hiilikaarihitsauksen, jossa kahden elektrodin välille synnytetyn valokaaren avulla saatiin metalli sulamaan liitosta varten. Menetelmää käytettiin kappaleiden liittämiseen niittaamisen ohella. 1900-luvulla on kehitetty menetelmät, jotka ovat johtaneet nykyaikaisen hitsauksen kehittymiseen.

Sulahitsaus

Sulahitsausmenetelmissä lisä- ja perusaine sulavat ja liittyvät toisiinsa sulana ja jähmettyvät jäähtyessään lopulliseen muotoonsa. Hitsisulan synnyttämiseen tarvittava lämpö tuotetaan valokaaren, kaasuliekin tai kemiallisen reaktion avulla. Sulahitsausprosesseissa hitsataan lähes aina käyttäen lisäainetta, joka täyttää hitsausrailon yhdessä railon reunoilta sulaneen perusaineen kanssa.

Kaasuhitsaus

Kaasuhitsauksessa hitsattavan aineen sulattamiseen tarvittava lämpö saadaan aikaan kaasuliekillä. Kaasuliekin toinen tehtävä on suojata hitsiä ilman hapettavalta vaikutukselta. Useimmiten palavana kaasuna käytetään asetyleenia, johon hitsauspolttimessa sekoitetaan happea palamisen tehostamiseksi. Kaasuliekistä tulee kuumempi, kun palamista tehostetaan puhtaan hapen avulla.
Kaasuhitsauksessa tarvitaan kaasupulloja, paineensäätimet, takaisku- ja takatulisuojat, letkut, hitsauspilli ja lisäainelankaa sekä asian mukaiset suojavarusteet.

Termiittihitsaus

Termiittihitsausta käytetään vielä nykyisinkin ratakiskoja toisiinsa liitettäessä. Termiittihitsaus kuuluu valusulahitsausmenetelmiin, jossa liitettävät osat valetaan kiinni toisiinsa. Menetelmässä sekoitetaan rautaoksidia (hematiittia) ja alumiinijauhetta toisiinsa ja seos sytytetään. Reaktio kestää 15–25 sekuntia, jonka jälkeen tuloksena on sulaa terästä, jota suojaa sula alumiinikuona. Reaktio tapahtuu hitsausrailossa, jonka kyljet sulavat osaksi hitsiä. Jotta varmistutaan sulan ja perusaineen (tässä kiskojen päät) yhtenäisestä liitoksesta, esilämmitetään perusaine hitsin läheltä n. 1 000 °C:een.

Ahjohitsaus

Ahjohitsaus tunnetaan myös nimellä pajahitsaus. Se on vanhin tunnettu hitsausmenetelmä. Ahjohitsauksessa metallikappaleet kuumennetaan ahjossa ja taotaan yhteen. Hitsauslämpötila on kuitenkin tavallista taontalämpötilaa huomattavasti korkeampi, tyypillisesti 50–90 prosenttia kappaleiden sulamislämpötilasta.

Kitkahitsaus

Kitkahitsausta käytetään perinteisesti esim. akselien ja tankojen liittämiseen. Tarvittava lämpö saadaan aikaan puristamalla liitospintoja vastakkain ja pyörittämällä niitä toisiinsa nähden. Pehmeäksi kuumenneet liitospinnat hitsautuvat yhteen, kun ne puristetaan voimakkaasti vastakkain. Kitkahitsaus on kiinteän tilan hitsausta, eli liitettävät materiaalit eivät sula hitsauksen aikana.
Vuonna 1994 patentoitiin uusi kitkahitsausprosessi, kitkahitsaus pyörivällä työkalulla tai kitkatappihitsaus. Muut nimet ovat FS-hitsaus tai FSW-hitsaus, engl. Friction Stir Welding) .
Tässä hitsauksessa pyörivä työkalu, jossa on profiloitu kärkiosa, pyörii ja tunkeutuu hitaasti kahden liitettävän kappaleen väliseen railoon. Liitettävien kappaleiden on oltava tiukasti toisiaan vasten, sillä railon paikka ei saa muuttua hitsauksen aikana. Hitsauslämpö syntyy kulutusta kestävän työkalun ja hitsattavien kappaleiden välisestä kitkalämmöstä sekä erityisesti hitsattavien kappaleiden voimakkaassa plastisessa muokkauksessa syntyvästä muodonmuutoslämmöstä. Kappaleet pehmenevät, mutta eivät sula. Liittyminen tapahtuu kiinteän tilan diffuusion vaikutuksesta työkalun ja vastimen välisessä, paineen ja lämpötilan alaisessa materiaalissa (kuva). Liitos jäähtyy työkalun takana ja muodostaa hitsin. 
Etuina mainitaan muun muassa seuraavia asioita: ei lisäainetta eikä suojakaasua, helppo railonvalmistus, monipuoliset liitosten toteutusmahdollisuudet, olemattomat vetelyt (hitsausmuodonmuutokset), erinomaiset liitosten ominaisuudet, hyvä mittatarkkuus, työympäristöystävällisyys, toistettavuus ja soveltuvuus sarjatuotantoon. 
Kitkahitsaus soveltuu erityisesti pehmeiden materiaalien kuten alumiinin ja kuparin hitsaukseen. Eniten sitä sovelletaan alumiinin hitsaukseen, esimerkiksi pursotteiden liittämiseen toisiinsa suurempien paneelien valmistuksessa. Muita hitsattuja alumiinituotteita ovat kotelot, vanteet, säiliöt ja rungot. 
Tyypillinen yhdellä palolla hitsattava aineenpaksuus on noin 2–20 millimetriä. Paksumpia levyjä voidaan hitsata kahdella palolla, palko kummallekin puolelle. Ohuimmat menetelmällä hitsatut aineenpaksuudet ovat olleet 0,3 mm ja paksuimmat yhdellä palolla hitsatut aineenpaksuudet 50 mm.

Räjähdyshitsaus

Räjähdyshitsauksessa liitetään levyjä toisiinsa räjähdyksen aiheuttaman paineen avulla. Räjähdyshitsauksen avulla voidaan valmistaa myös eripariliitoksia, kuten teräs-alumiini.

Ultraäänihitsaus

Ultraäänihitsauksessa hyödynnetään pituussuuntaisia, ultraäänialueella värähteleviä aaltoja, joiden avulla energia siirretään hitsiin. Ultraääni tuotetaan pietsosähköilmiöön perustuvalla PZT-värähtelijällä, johon johdetaan korkeataajuista sähköä taajuusmuuttajasta. Syntynyt mekaaninen värähtely aiheuttaa hitsauspintojen nopean kuumenemisen. Sen ja kappaleisiin kohdistetun puristusvoiman johdosta kappaleiden liitospintojen materiaali sulaa ja saavutetaan yhtenäinen hitsi, jolla on usein sama lujuus kuin perusmateriaalilla. Ultraäänihitsausta voidaan käyttää muovien, keraamien ja metallien hitsaukseen. Menetelmä soveltuu myös eri sulamislämpötilan omaavien metallien liittämiseen. Tyypilliset sovellukset ovat sähkö- ja elektroniikkateollisuuden komponentit.
Muovien ultraäänihitsaus soveltuu parhaiten termoplastisille muovilaaduille. Tyypillisimpiä ultraäänihitsauksen käyttäjiä ovat elektroniikka-, auto- ja pakkausteollisuus sekä leikkikaluvalmistajat.

Muovihitsaus

Tyypillisimpiä hitsattavia muoveja ovat polyeteeni (PE), polypropeeni (PP). Muovia hitsattaessa kappaleet (ja mahdollinen täyteaine) lämmitetään ensin tiettyyn, muovityypille ominaiseen hitsauslämpöön. Hitsautuminen tapahtuu materiaalin jäähtyessä hitsauspaineen alaisena.

Puskuhitsaus

Puskuhitsauksessa kaksi muovikappaletta (tyypillisesti putkea) hitsataan yhteen kuumentamalla ensin puhdistettuja putken päitä kuumaa levyä vasten ja painamalla ne välittömästi yhteen. Hitsauspaine pidetään yllä tavallisesti hydraulisesti. Puskuhitsausta käytetään esim. pitkien vesijohtoputkien liittämiseen osista työmaalla. Puskuhitsattavat putket voivat olla melko paksujakin (esim. 800 mm), jolloin hitsaukseen käytettävät paineet ja puristusajat ovat vastaavasti pitkiä.

Kuumailmahitsaus

Kuumailmahitsauksessa muovikappaleita kiinnitetään yhteen kuumentamalla niitä kuumalla ilmalla ja syöttämällä kuumennettuun kohtaan täyteainelankaa. Kuumailmahitsausta käytetään esim. kaukolämpöputkien ulkokuorien (tyypillisesti polyeteeniä) korjaus- ja liitostöissä.

Ekstruuderihitsaus

Ekstruuderihitsauksessa muovikappaleita kiinnitetään yhteen kuten kuumailmahitsauksessa, mutta hitsauslangan sijaan täyteaine on ekstruuderilaitteen muodostamaa täyteainemassaa. Ekstruuderit tekevät täyteainemassan tavallisesti hitsauslangasta, joskus myös muovigranulaatista. Ekstruuderilla saadaan aikaan paksumpaa hitsaussaumaa kuin kuumailmahitsauksella.

Hybridihitsaus

Hybridihitsauksella ymmärretään kahden tai useamman hitsausprosessin yhdistämistä samaan prosessiin.

MIG-Laser-hybridihitsaus

Tässä yhdistyvät syvä tunkeuma ja tehokas lisäaineen tuotto. MIG-laser-hybridihitsausta on VTT:llä tutkittu useita vuosia ja sitä käytetään esim. telakoiden levylinjoilla ja autoteollisuudessa. Se soveltuu keskipaksujen materiaalien konepajahitsaukseen.

TIG-Plasma-hybridihitsaus

Putkenvalmistuksessa käytetään yleisesti TIG-plasma polttimia. Plasmalla saadaan laserin tapaan hyvä tunkeuma ja TIG-päällä esikuumennetaan tai jälkitasoitetaan plasmahitsiä.

Tandem-hitsaus

Tämä muistuttaa hybridihitsausta, mutta tässä on useampia saman hitsausprosessin polttimia kytketty peräkkäin. Tandem-MIG/MAG-hitsaus ja jauhekaari tandem ovat tyypillisiä esimerkkejä. Putkenvalmistuksessa käytetään TIG-trikatodipolttimia eli siinä on kytketty esim. kolme TIG-poltinta peräkkäin.

CNC-hitsaus ja hitsausrobotti

CNC (engl. Computerized Numerical Control, Tietokoneistettu numeerinen ohjaus)-ohjattu hitsaus.
Robotteja on kahta lajia: nivelvarsi- ja portaalityyppisiä. Nivelvarsirobotti muistuttaa usein ihmiskäsivartta ja sen päähän on liitetty varsinainen hitsausväline. Hitsausroboteilla suoritetaan usein MIG/MAG-, piste- tai laserhitsausta. Hitsausrobotteja käytetään muun muassa autoteollisuudessa autonkorin piste- ja laserhitsauksessa.
Nykyisin hitsauksen automatisoinnin kehittäminen on tärkein tekijä tuottavuuden parantamisessa. 
Automatisoinnin kannalta tärkeimpiä ovat hitsauksen toistettavuus ja tasainen laatu. Tekijöiden taustalla on monia parametrejä, jotka on sovitettava kulloiseenkin hitsaustapahtumaan.
Hitsauksessa on mahdollista käyttää myös robottia avustajana. Tällöin robotti käsittelee hitsattavaa työkappaletta tuoden hitsattavan railon hitsarin ulottuville ja hitsauksen jälkeen pinoaa osavalmiin kappaleen edelleen lähetettäväksi. Tällainen joustava yhteistyö on myös mahdollista tehokkuuden parantamista haettaessa.

Hitsausasennot

Erilaisia hitsausasentoja ovat: jalkoasento, vaaka-asento, lakiasento, pystyasento ylöspäin, pystyasento alaspäin, alapiena-asento, yläpiena-asento. Hitsatessa putkia erilaisia asentoja ovat: pyörivä vaakaputki (jalkoasento), kiinteä pystyputki (vaaka-asento), kiinteä vaakaputki (pystyasento ylöspäin), kiinteä vaakaputki (pystyasento alaspäin), kalteva putki(pystyasento ylöspäin), pyörivä vaakaputki (alapiena-asento), pyörivä vaakaputki (alapiena-asento), kiinteä pystyputki (alapienaasento), kiinteä pystyputki (yläpiena-asento), kiinteä vaakaputki (pystyasento ylöspäin), kiinteä vaakaputki (pystyasento alaspäin). Yleisin hitsausasento on jalkoasento, jossa hitsaaja on liitettävän sauman yläpuolella ja katsoo alaspäin. Jalkoasento on nopein ja turvallisin hitsausasento.