Tuomo Tiainen: Pakina: Kitkahitsauksen kimpussa, osa 3

Kuten edellisen pakinan lopussa (ks. Materia 1/2025 s. 75) kerrottiin, päätettiin silloisen Tampereen teknillisen korkeakoulun ja yrittäjäosapuolen yhteishankkeessa ryhtyä selvittämään mahdollisuuksia yrittäjän tavoittelemien, alumiini-kuparikitkahitsausliitoksen sisältävien tuotteiden valmistamiseksi. Sekä tuotteen liitostyyppi että sen valmistustapa poikkesivat siihen saakka vallalla olleista käsityksistä kitkahitsauksen mahdollisuuksista.

Ensiksi tarvittiin laitteisto, jolla idean toimivuutta voitaisiin testata. Alustavan ideoinnin ajatuksena oli, että laitteisto voitaisiin rakentaa tavalliseen metallintyöstösorviin. Pitemmälle menevissä tarkasteluissakaan ei ajatuksen toteutuksen tieltä löytynyt sen toimivuutta rajoittavia esteitä. Pienenä rajoituksena nähtiin sorvien porrastettu pyörimisnopeuden säätömahdollisuus, joka rajoitti käytettävissä olevan hitsausenergian valintaa. Haittaa voitiin kuitenkin torjua laitteistoon liitettävän vauhtipyörän massan oikealla valinnalla.

Siispä marssittiin käytettyjä ja huollettuja työstökoneita myyvään liikkeeseen ja etsittiin tarjolla olevasta valikoimasta sorvi, joka arvioitiin kooltaan, rakenteeltaan ja muilta ominaisuuksiltaan tarkoitukseen soveltuvaksi. Yrittäjä arveli lisäksi, että hankkeen epäonnistuessakin hänellä olisi käyttöä valitulle sorville muussa tuotannossaan.

Sorvi tuotiin korkeakoulun materiaaliopin laitoksen laboratoriohalliin ja laiterakentaminen käynnistettiin. Inertiakitkahitsauksen vaatima vauhtipyörä sijoitettiin sorvin kara-akselille tukilaakerin ja istukan väliin, jossa oli sille sopiva tila. Varsinainen hitsauspää rakennettiin sorvin teräkelkkaan, ja se varustettiin tarvittavilla toimilaitteilla. Hitsattavien kappaleiden kiinnittimet valmistettiin ja asennettiin laitteistoon.

Hitsattavien kappaleiden dimensiot valittiin asiakastehtaalla siihen aikaan käytössä olevan tuotteen mukaisiksi. Pian oltiin valmiita ensimmäisten kokeiden suorittamiseen. Varovaisuuden nimissä kokeet aloitettiin ensin pienellä hitsausenergialla eli pienellä vauhtipyörällä ja matalilla pyörimisnopeuksilla.

Ensimmäisissä kokeissa kappaleet saatiin kyllä tarttumaan toisiinsa, mutta liitosten mekaaninen lujuus ei ollut kehuttava. Tarkemmissa tutkimuksissa havaittiin liitoksen muodostuneen vain osalle liitettävistä pinnoista. Liitospintaa saatiin vähän kasvatetuksi muuttamalla hiukan kappaleiden esikoneistusprofiilia, mutta koko liitospinnan kattavaa liitosta ei ensi kokeissa saatu aikaan. Hyvään kitkahitsauslitokseen olennaisesti kuuluvasta purseesta ei liitoksen alumiiniosien puolella näkynyt merkkiäkään.

Oli siten luontevaa käynnistää koesarja, jolla selvitettiin kasvavan hitsausenergian eli aluksi pyörimisnopeuden vaikutusta liitoksen muodostumiseen. Tavoitteena oli ensin riittävän mekaanisen lujuuden saavuttaminen. Kuten edellisessä pakinassa kerrottiin, voitiin rakennetulla laitteistolla saada aikaan kaksi identtistä tuoteaihiota yhdellä hitsauskerralla. Mekaanisen lujuuden alustavaksi testausmenetelmäksi vakiintui pian hitsatun rakennelman pudottaminen lattialle metrin korkeudelta. Ellei kappale siitä selvinnyt ehjänä, oli syytä siirtyä seuraavaan hitsausenergiaportaaseen.

Kun kaikki sorvista saatavat pyörimisnopeudet oli käyty läpi, todettiin muodostuneen liitoksen kattavan suurin piirtein koko tavoitellun liitospinnan. Purseen ja sen myötä täydellisen kitkahitsausliitoksen muodostumisestakin oli merkkejä, mutta ei riittävästi. Hitsatut kappaleet eivät myöskään läpäisseet mekaanisen lujuuden alustavaakaan testiä sadan prosentin kattavuudella.

Siispä käytiin kasvattamaan hitsausenergiaa vauhtipyörän massaa kasvattamalla. Koesarjan kolmas vauhtipyörä alkoi olla massaltaan jo sitä luokkaa, että sorvin kara-akselin kestävyydestä oli syytä ruveta kantamaan huolta. Täydessä vauhdissa valloilleen päässyt vauhtipyörä olisi saattanut aiheuttaa melkoista tuhoa ympäristössään.

Myös sorvin runkoon ja muuhun laitteistoon alkoi ilmestyä merkkejä värähtelyistä. Voimistuessaan ne saattaisivat haitata liitoksen muodostumista tai jopa repiä muodostuvan liitoksen kokonaan auki pyörimisen pysähtyessä.

Maksimaalisilla turvajärjestelyillä saatiin laitteistolla hitsatuksi tavoitelluilla tuotedimensiolla kappaleita, jotka läpäisivät alustavan ja tarkemmankin mekaanisen testauksen ja joissa oli tavoiteltu purse lähes koko liitospituudella. Tutkimuksissa muodostunut liitos todettiin kauttaaltaan ns. metallurgiseksi liitokseksi eikä liitospinnoilta löydetty merkkejä epäpuhtauksista.

Tuloksia koetettiin vielä parantaa käyttämällä kuparikomponentin liitospintojen urittamista erilaisilla poikkileikkausprofiileilla. Ajatuksena oli ikään kuin helpottaa liitosprosessin ydintymistä pienentämällä ensikosketuksen pinta-alaa ja kasvattamalla siten pintapainetta. Liitoksen ydinnyttyä sen kasvu saattaisi tapahtua helpommin jäljellä olevalla liike-energialla. Tulokset paranivatkin hieman, mutta eivät merkittävästi.

Kaiken kaikkiaan tämän prosessivaiheen tuloksena oli se, että tutkittu menetelmä ja valmistettu liitostyyppi täyttivät tavoitellulle tuotteelle asetetut perusvaatimukset. Viimeistellyt tuotteet olivat ulkopinnoiltaan sileitä, vailla korroosiota kiihdyttäviä rakoja, ja niiden korroosiosuojaus oli helposti toteutettavissa. Muutamia valmistettuja tuotteita toimitettiin myös asiakastehtaalle arvioitaviksi ja testattaviksi.

Rakennetulla laitteistolla kyettiin kuitenkin vain vaivoin valmistamaan dimensioiltaan vaadittavan kokoisia kappaleita ja liitospintoja, eikä sen kapasiteetin kasvattaminen ollut tässä suhteessa mahdollista mm. turvallisuus- ja jäykkyyskysymysten vuoksi. Lisäksi tiedossa oli, että asiakastehtaalla oltiin siirtymässä ns. jumbokatodien käyttöön. Se taas merkitsi mm. alumiinivarren paksuuden ja sitä kautta liitospinta- alan kasvattamista.

Siksi todettiin yhteistuumin, että tämä prosessivaihe katsottiin päättyneeksi ja testilaitteisto toimitettiin yrittäjälle sorvin vapauttamiseksi muuhun tuotantokäyttöön. Menetelmän kehitystyötä tuotantoasteelle päätettiin kuitenkin jatkaa käynnistämällä varsinaisen, tähän tarkoitukseen alusta lähtien suunnitellun ja dimensioiltaan riittävän suurten tuotteiden valmistukseen kykenevän kitkahitsauslaitteiston suunnittelu. Tämän työn etenemisestä ja tuloksista kerrotaan seuraavassa pakinassa. ▲

TUOMO TIAINEN