Minaprem.com

Kaarihitsaus on eräs sulahitsausprosessin tyyppi, jossa epäjalot metallit sulatetaan käyttämällä lämpöä, jotta muodostuu yhteyttämistä. Tarvittavaa lämpöä tuottaa valokaari, joka muodostuu virtalähteeseen asennetun virtapiirin positiivisten ja negatiivisten napojen välille. Hitsausta varten työstettävä metalli on yksi pääte ja elektrodi on toinen, ja siten valokaari muodostuu niiden välille ulkoisessa virtapiirissä. Koska elektronit kulkevat aina minkä tahansa ulkoisen virtapiirin negatiivisesta liittimestä positiiviseen liittimeen, kytkennän perusteella on kaksi mahdollista tapausta:

1. Elektrodi on kytketty virtalähteen negatiiviseen liittimeen, kun taas perusmetallit on kytketty positiiviseen liittimeen.
2. Eläsimetallit on kytketty virtalähteen negatiiviseen napaan; kun taas elektrodi on kytketty positiiviseen napaan.

Mutta jos virtalähde tuottaa vaihtovirtaa (AC), silloin molemmat olosuhteet esiintyvät peräkkäin jokaisessa jaksossa. Kaarihitsauksen virtalähteet voivat periaatteessa tuottaa joko tasavirtaa tai vaihtovirtaa. Joissakin nykyaikaisissa virtalähteissä on myös mahdollisuus muuntaa toinen toisesta (integroitu AC-DC-muunnin), joten nämä lähteet voivat syöttää sekä vaihto- että tasavirtaa. Valokaarihitsaus voidaan siis suorittaa millä tahansa seuraavista kolmesta polariteetista; kullakin polariteetilla on kuitenkin tiettyjä etuja toisiinsa nähden, kuten seuraavissa jaksoissa selostetaan.

Polariteetti ilmaisee virran (toisin sanoen elektronien) kulkusuunnan peruslevyjen ja elektrodin välillä ulkoisessa virtapiirissä. Muista, että virran virtaussuunta katsotaan päinvastaiseksi kuin elektronien virtaussuunta.

• Tasavirran suora polariteetti – syntyy, kun elektrodi tehdään negatiiviseksi ja peruslevyt tehdään positiivisiksi. Näin ollen elektronit virtaavat elektrodin kärjestä peruslevyihin.
• Suoravirta käänteinen polariteetti – syntyy, kun elektrodi tehdään positiiviseksi ja peruslevyt negatiivisiksi. Näin ollen elektronit virtaavat pohjalevyistä elektrodiin.
• Vaihtovirtapolariteetti – jos virtalähde tuottaa vaihtovirtaa, edellä mainitut kaksi tapausta esiintyvät peräkkäin jokaisessa syklissä. Jakson yhdessä puoliskossa elektrodi on negatiivinen (joten peruslevyt ovat positiivisia) ja seuraavassa puoliskossa elektrodi on positiivinen (joten peruslevyt ovat negatiivisia). Jaksojen määrä sekunnissa riippuu syöttötaajuudesta. Esimerkiksi 60 Hz:n syötöllä 60 sykliä tapahtuu sekunnissa.

Suoravirtaelektrodin positiivinen (DCEP) polariteetti kaarihitsauksessa

Suoravirtavirran (DC) syötössä, kun elektrodi on kytketty positiiviseen napaan ja pohjalevyt negatiiviseen napaan, puhutaan suoravirtaelektrodin positiivisesta (DCEP) tai suoravirran käänteispolariteetista (DCRP). Elektronit vapautuvat siis peruslevystä ja virtaavat elektrodia kohti ulkoisen virtapiirin kautta. Elektronivyöryn jatkuva virtaus pienessä kulkuväylässä synnyttää valokaaren (lämmönlähde).

Elektronit, jotka lähtevät peruslevyistä (negatiivinen polariteetti), kiihtyvät potentiaalieron vaikutuksesta ja saavat iskeytyä elektrodiin (positiivinen polariteetti) erittäin suurella nopeudella. Iskeytyessään elektronien liike-energia muuttuu lämpöenergiaksi, mikä lopulta johtaa suureen lämmöntuottoon elektrodin kärjen läheisyydessä. Peukalosääntönä voidaan pitää, että kaksi kolmasosaa (66 %) koko valokaaren lämmöstä syntyy elektrodissa, kun taas vain yksi kolmasosa (33 %) lämmöstä syntyy pohjalevyssä. Tämän seurauksena elektrodi sulaa nopeasti ja metallin laskeutumisnopeus kasvaa (vain kuluvien elektrodien osalta). Toisaalta pohjalevyt eivät sulaudu kunnolla, koska lämpöä ei ole riittävästi, jolloin syntyy erilaisia vikoja, kuten riittämätön sulautuminen, tunkeutumisen puute, suuri lujittuminen jne. Pohjalevyn elektronivirta poistaa kuitenkin pohjalevyn pinnalla olevan öljyn, pinnoitteen, oksidikerroksen tai pölyhiukkasia (kutsutaan oksidipuhdistustoiminnaksi).

• Lue lisää: DCRP (Direct Current Reverse Polarity) kaarihitsauksessa.

DCEP-polariteetin edut kaarihitsauksessa

• Parempi valokaaren puhdistusvaikutus, joten sisällyttämisvirheiden mahdollisuus on pienempi.
• Korkea tilavuuspinnoitusnopeus kulutuselektrodille, joten nopeampi hitsaus.
• parempi suorituskyky ohuiden levyjen hitsauksessa. Se vähentää vääristymätasoa, jäännösjännitystä, täydellistä leikkausta jne.
• Sopii metallien liittämiseen, joilla on matala sulamispiste, kuten kupari ja alumiini.

DCEP-polariteetin haitat kaarihitsauksessa

• Lyhyempi elektrodin käyttöikä ei-kuluvilla elektrodeilla.
• Korkeampi raudoitustaso, jos nopeutta ei ole säädetty kunnolla.”
• Riittämätön sulatuksen sulaminen ja epätäydellinen tunkeutuminen”.
• Ei pysty sulattamaan kunnolla paksuja levyjä tai metalleja, joilla on korkea sulamispiste.

Suoravirtaelektrodin negatiivinen (DCEN) polariteetti kaarihitsauksessa

DCEP:n vastakohtana, kun elektrodi kytketään negatiivisella liittimellä ja pohjalevyt positiivisella liittimellä, sitä kutsutaan nimellä Suoravirtasähköelektrodin negatiivinen (DCEN, Direct Current Electrode Negative) tai Suoravirtasähköinen suora polariteetti (Direct Current Straight Polarity, DCSP). Joten elektronit virtaavat elektrodista peruslevyihin. Näin ollen pohjalevyssä syntyy enemmän lämpöä kuin elektrodissa, joten metallin laskeutumisnopeus vähenee. Myös erilaiset viat, jotka johtuvat perusmetallin riittämättömästä sulautumisesta, poistuvat. DCEN:stä puuttuu kuitenkin puhdistustoiminto, joten sulautumisvirheitä voi syntyä, jos pohjalevyjä ei puhdisteta kunnolla ennen hitsausta. DCEN-polariteetin hyviä ja huonoja puolia käsitellään jäljempänä.

• Lue lisää: Tasavirran suora polariteetti (DCSP) kaarihitsauksessa.
• Lue lisää: DCEN:n ja DCEP:n ero kaarihitsauksessa.

DCEN-polariteetin edut kaarihitsauksessa

• Esimetallien riittävä sulautuminen ja siten voidaan saavuttaa kunnollinen tunkeuma.
• Vähäisempi mahdollisuus volframin sulautumiseen (TIG-hitsauksessa) ja myös vähäinen raudoitus.
• Parempi valinta hitsattaessa metalleja, joilla on korkea sulamispiste, kuten titaania, ruostumatonta terästä jne.
• Paksuja levyjä voidaan myös liittää kunnolla yhteen.

Haitat DCEN-polariteetista kaarihitsauksessa

• Ei valokaaren puhdistusvaikutusta, joten sulkeutumisvirheiden mahdollisuus.
• Suuri vääristymätaso.
• Suuri jäännösjännityksen syntyminen hitsattaviin komponentteihin.
• Laajempi lämpövaikutusvyöhyke (HAZ).
• Matalampi tuottavuus alhaisemman laskeutumisnopeuden vuoksi.
• Ei sovellu ohuiden levyjen hitsaukseen.

Vaihtovirran (AC) polariteetti kaarihitsauksessa

Vaihtovirran polariteetti tarjoaa sekä DCEN:n että DCEP:n edut; kuitenkin vain jossain määrin. Kun käytetään vaihtovirtalähdettä, puolessa jaksossa elektrodi muuttuu negatiiviseksi ja seuraavassa puolessa jaksossa elektrodi muuttuu positiiviseksi. Tämä sykli toistuu 50 tai 60 kertaa sekunnissa riippuen syöttötaajuudesta (50 Hz tai 60 Hz). Joissakin virtalähteissä on myös mahdollisuus muuttaa tätä taajuutta.

• Lue lisää: Vaihtovirran napaisuus kaarihitsauksessa.
• Lue lisää: DCEN-, DCEP- ja AC-polariteettien vertailu hitsauksessa.

Vaihtovirtapolariteetin edut kaarihitsauksessa

• Mittainen valokaaren puhdistusvaikutus.
• Yhteensopiva useimpien elektrodityyppien kanssa (mutta ei kaikkien).
• Parempi sulautuminen ja hitsiaineen tunkeutuminen.
• Sopii laajalle levynpaksuusalueelle.

Miten polariteetti vaikuttaa kaarihitsauksen suorituskykyyn?

Polariteetti on yksi ratkaisevista tekijöistä, joka vaikuttaa hitsattujen liitosten laatuun. Ennen hitsausta hitsaajan on valittava sopiva polariteetti vaatimuksesta, lisäaineen tyypistä, elektrodityypistä ja perusaineesta riippuen. Seuraavassa luettelossa esitetään parametrit, joihin hitsauksen napaisuus yleensä vaikuttaa. Lue lisätietoja: Miten polariteetti vaikuttaa kaarihitsauksen suorituskykyyn?

• Lisäaineen laskeutuminen – Kulutuselektrodilla DCEP-polariteetti lisää metallin laskeutumisnopeutta. Lue: Mikä napaisuus antaa suurimman laskeumanopeuden kaarihitsauksessa ja miksi?
• Hitsin tunkeuma-DCEN-polariteetti lisää hitsin tunkeumaa. Lue: Kumpi polariteetti antaa paremman tunkeuman kaarihitsauksessa ja miksi?
• Pohjalevyn puhdistus-DCEP auttaa puhdistamaan pohjalevyt hitsauksen aikana, mikä vähentää sisällyttämisvikojen mahdollisuutta. Lue: Kumpi polariteetti antaa paremman oksidien puhdistuksen kaarihitsauksessa ja miksi?
• Vahvistus-DCEP aiheuttaa pallomaisen metallinsiirtotavan, joten se lisää hitsisulan leveyttä.
• HAZ-DCEN-polariteetti lämmittää pohjalevyt nopeasti, ja jos nopeutta ei säädetä, HAZ:sta tulee leveämpi.
• Hitsaussulan ulkonäkö-AC, riippuu suuresti monista muista tekijöistä.

Miten hitsauspolariteetti valitaan oikein?

On huomattava, että hitsauspolariteetin valinnassa on otettava huomioon suuri määrä tekijöitä; jäljempänä käsitellään kuitenkin vain muutamia perustekijöitä. Napaisuuden valinnassa tiettyyn sovellukseen on noudatettava asianmukaista huolellisuutta.

• Jos perusmetalli on alumiinia tai magnesiumia, DCEP on parempi vaihtoehto, koska se voi rikkoa levyn pinnalla olevan oksidikerroksen (alumiinioksidi-Al2O3). Myös alumiinin sulamispiste on melko pieni (660ºC), joten suurta lämmöntuottoa pohjalevyn läheisyydessä ei tarvita.
• Jos hitsaat titaania tai ruostumatonta terästä, AC on parempi vaihtoehto, koska se antaa kaikki halutut edut. Tällöin DCEN voi kasvattaa HAZ-vyöhykettä.
• Jos työstettävällä materiaalilla on huono elektroniemissiivisyys tai se tarvitsee korkean jännitteen elektroniemissiota varten, DCEP on väärä valinta, koska se voi johtaa epävakaaseen valokaareen.
• Jos pohjalevyn paksuus on suurempi (>6mm), DCEN on suositeltava valinta. Myös reunojen valmistelu on tarpeen. Vastaavasti ohuille levyille tulisi valita DCEP.
• TIG-hitsauksessa DCEP-polariteetin käyttö voi johtaa pallonmuodostukseen elektrodin kärjessä, mikä vähentää elektrodin käyttöikää. Se voi myös johtaa volframin sulkeutumisvikaan.