Pakina: Tuomo Tiainen: Kitkahitsauksen kimpussa, osa 1

Sanaan kitka liittyy yleensä hiukan negatiivinen pohjavire. Kitkan koetaan vastustavan liikettä ja kaikkea muutakin. Ihmissuhteissakin voi esiintyä kitkaa, eivätkä ne silloin yleensä ole parhaalla mahdollisella tolalla.

Kitkalla on paljon myös hyödyllisiä vaikutuksia. Se mahdollistaa auton pysymisen tiellä ja muita reippaamman lähdön liikennevaloista. Itsepidättävät kiilat ja niiden mainiot muunnokset eli ruuvit ja pultit muttereineen perustuvat kitkaan. Kitkan puuttumisen talviliukkailla huomaa helposti takalistossaan ja muuallakin.

Kitkallisten asioiden hankautuessa toisiaan vasten syntyy lämpöä. Kun lämpöä kehittyy tarpeeksi, sen avulla voi saada vaikka tulen syttymään. Kitkalämmöllä voidaan jopa liittää materiaaleja toisiinsa. Tähän perustuu kitkahitsauksen nimellä tunnettu metallien liittämismenetelmä.

Olennaista metallien kitkahitsauksessa on se, että liitos muodostuu kiinteässä tilassa. Tällöin vältytään metallien sulamiselta ja seostumiselta toisiinsa sekä jähmettymiseen ja jäähtymiseen liittyviltä, ominaisuuksiin usein haitallisesti vaikuttavilta faasimuutoksilta. Liitoksen muodostumiseen osallistuvien metallien ominaisuudet voivat jopa parantua liitoksen lähiympäristössä.

Kitkahitsauksen vanhimpia muotoja on ns inertiakitkahitsaus. Se sopii erityisesti pyörähdyskappaleiden liittämiseen, esim. pyörötankojen päittäisliitoksiin. Liitettävistä pyörötangoista toinen lukitaan pyörimättömäksi kelkkaan, joka liikkuu johteilla tangon pituusakselin suunnassa. Toinen tangoista taas kiinnitetään paikallaan pysyvään, pituusakselinsa ympäri pyörivään istukkaan, joka on kiinni massiivisessa vauhtipyörässä. Istukassa olevan tangon pyörimisakseli on sama kuin pyörimättömäksi lukitun tangon keskiakseli niin, että tankojen päiden kohdatessa niiden keskiakselit ovat toistensa jatkeina.

Tankojen päiden ollessa erillään toisistaan vauhtipyörä ja samalla istukkaan kiinnitetty tanko kytketään pyörimään ja sen vauhti kiihdytetään halutun liike-energian tuottavaan pyörimisnopeuteen. Pyörimisnopeuden vakiinnuttua haluttuun arvoon pyöritys kytketään irti ja vauhtipyörä tankoineen pyörii vapaasti. Pyörimättömän tangon pää työnnetään kiinni pyörivän tangon päähän ja päät puristetaan vastakkain halutulla voimalla.

Vauhtipyörän liike-energian ansiosta pyörivän tangon pyörimisliike jatkuu ja tankojen päiden hankautuessa toisiaan vasten kitka kuumentaa molempien tankojen materiaalin tulevassa liitoskohdassa. Hankautuminen, kitka ja kuumeneminen jatkuvat, kunnes materiaalit pehmenevät ja plastisoituvat. Vauhtipyörän energian kuluttua loppuun ja pyörimisen pysähtyessä vastakkain puristetun tankojen päiden välille muodostuu ns. metallurginen liitos puristusvoiman ja plastisen muodonmuutoksen ansiosta.

Oikeilla parametreilla suoritetulla Inertiakitkahitsauksella on monia etuja. Kuumentuessaan plastisoituneet materiaalit virtaavat ulospäin tankojen keskiakselilta ja vievät mennessään alkuperäisillä pinnoilla mahdollisesti olleet liitoksen ominaisuuksia heikentävät hapettumat ja muut epäpuhtaudet. Ne päätyvät liitoskohtaan muodostuvaan purseeseen, josta ne voidaan poistaa esim sorvaamalla. Näin syntyvä liitos on vapaa sen ominaisuuksia heikentävistä epäpuhtauksista.

Materiaalin kannalta katsottuna liittämistapahtuma on paikallista kuumamuokkausta, jossa materiaali rekristallisoituu välittömästi muodonmuutoksen jälkeen ja sen raekoko pienenee. Raekoon pienentyessä metallin lujuus ja sitkeys tunnetusti paranevat samanaikaisesti. Siten liitoksen läheisyydessä materiaalien nämä ominaisuudet voivat olla jopa alkuperäisten tankomateriaalien ominaisuuksia paremmat.

Kolmas etu on siinä, että kitkahitsauksella voidaan liittää toisiinsa hyvin erilaisia metalleja. Koska sulamista ei oikein suoritetussa liittämisessä tapahdu, eivät liitettävät metallit pääse merkittävästi seostumaan ja muodostamaan liitoskohtaan sitä heikentäviä hauraita faaseja. Niinpä kitkahitsauksella voidaan liittää toisiinsa esim. kuparia ja alumiinia, joiden liittämistä sulahitsausta käyttäen on pitkään pidetty mahdottomana.

Menetelmän rajoituksena on sen soveltuvuus vain tietyntyyppisten eli pyörähdyskappaleiden muotoja sisältävien komponenttien liittämiseen.

Sitten varsinaiseen asiaan. Saatuani väitöskirjan valmiiksi ja selvittyäni hengissä väittelystä pääsin lähes välittömästi hoitamaan Oulun yliopistossa metalliopin apulaisprofessorin virkaa monipolvisen virkanimitysketjun alimpana lenkkinä. Laitoksen laboratoriossa törmäsin ilmeisesti omana työnä rakennettuun inertiakitkahitsauslaitteeseen ja innostuin selvittämään sitä käyttäen erilaisten terästen liittämistä toisiinsa ja muodostuvien liitosten ominaisuuksia.

Akatemialle tehtiin projektihakemus, ja myönteisen päätöksen tultua värvättiin opintojensa loppuvaiheessa oleva opiskelija tekemään tutkimustyötä. Tutkittaviksi materiaaleiksi valittiin viisi eri teräslajia: luja rakenneteräs, nuorrutusteräs, pikateräs, työkaluteräs ja ruostumaton teräs. Näitä hitsattiin itseensä ja toisiinsa kaikkina mahdollisina yhdistelminä ja kullekin liitostyypille haettiin parhaan tuloksen antavat parametrit. Kaikissa yhdistelmissä liitokset saatiin syntymään, mutta niiden ominaisuudet olivat vielä kysymysmerkkeinä.

Parhaista liitoksista koneistettiin koesauvoja sekä veto- että väsytyskokeisiin siten, että liitoskohta oli koesauvan koepituuden keskellä. Sauvat testattiin suoraan liitosprosessin jäljiltä ilman lämpö- tms. käsittelyjä.

Vetokokeissa kaikki ns. mustien terästen liitokset olivat lujuudeltaan vähintään liitokseen osallistuneen heikomman perusaineen tasolla. Ruostumattoman teräksen ja lujuustasoltaan alempien mustien terästen liitokset täyttivät saman kriteerin, mutta pika- ja työkaluteräksen ja ruostumattoman teräksen liitokset murtuivat toisinaan liitoskohtaan muodostuneesta valkoisesta martensiittisesta kerroksesta perusaineita alhaisemmilla lujuusarvoilla.

Väsytyskokeissa tulos oli samankaltainen: liitoksen sisältäneillä koesauvoilla mitatut väsymisarvot sattuivat lähes poikkeuksetta perusaineiden väsymislujuuskäyrien väliin. Korkeahiilisten mustien terästen ja ruostumattoman teräksen liitoksissa koepisteitä tippui myös alemman lujuustason teräksen väsymiskäyrän alapuolelle.

Näin kitkahitsauksen potentiaali hyvin erityyppisten terästen liittämismenetelmänä tuli todistetuksi. Tuloksia olisi todennäköisesti voinut vielä parantaa vaikeimpien liitostyyppien lämpökäsittelyllä hitsauksen jälkeen. Projektiaika ja rahatkin olivat kuitenkin jo melkein lopussa, joten loppuaika käytettiin Akatemian raportin kirjoittamiseen. Se voinee vielä yli neljän vuosikymmenen jälkeenkin löytyä Akatemian arkistoista tai ainakin kansalliskirjastosta.

Samaan aikaan suoritettiin laitteella Oulun yliopiston omana työnä alumiinin ja kuparin onnistuneita liitoskokeita sähköteknisiin sovelluksiin. Kuva noista kokeista jäi itämään mielen pohjalle ja se pulpahti runsas vuosikymmen myöhemmin uudelleen pintaan kokonaan toisessa yhteydessä. Siitä enemmän tarinan toisessa osassa. ▲

TUOMO TIAINEN