Spectroscopic monitoring during laser welding of aluminium alloy

The mechanical properties of aluminium alloys are strongly influenced by the alloying elements and their concentration. In the case of aluminium alloy EN AW-6060 the main alloying elements are magnesium and silicon. The first goal of this thesis was to determine stability, repeatability and sensitivity as figures of merit of the in-situ melt identification technique. In this study the emissions from the laser welding process were monitored with a spectrometer. With the information produced by the spectrometer, quantitative analysis was conducted to determine the figures of merit. The quantitative analysis concentrated on magnesium and aluminium emissions and their relation. The results showed that the stability of absolute intensities was low, but the normalized magnesium emissions were quite stable. The repeatability of monitoring magnesium emissions was high (about 90 %). Sensitivity of the in-situ melt identification technique was also high. As small as 0.5 % change in magnesium content was detected by the spectrometer. The second goal of this study was to determine the loss of mass during deep penetration laser welding. The amount of magnesium in the material was measured before and after laser welding to determine the loss of magnesium. This study was conducted for aluminium alloy with nominal magnesium content of 0-10 % and for standard material EN AW-6060 that was welded with filler wire AlMg5. It was found that while the magnesium concentration in the material changed, the loss of magnesium remained fairly even. Also by feeding filler wire, the behaviour was similar. Thirdly, the reason why silicon had not been detected in the emission spectrum needed to be explained. Literature research showed that the amount of energy required for silicon to excite is considerably higher compared to magnesium. The energy input in the used welding process is insufficient to excite the silicon atoms.

Alumiiniseosten mekaaniset ominaisuudet määrittyvät hyvin pitkälti seosaineiden ja niiden pitoisuuksien mukaan. Alumiiniseoksen EN AW-6060 pääseosaineet ovat magnesium ja pii. Tämän diplomityön ensimmäinen tavoite oli selvittää hitsisulan prosessinaikaisen monitorointitekniikan kvantitatiiviset ansioluvut: stabiliteetti, toistettavuus sekä sensitiivisyys. Tässä tutkimuksessa laserhitsauksen aikana syntyviä emissioita monitoroitiin spektrometrillä. Spektrometrin tuottamalle informaatiolle suoritettiin kvantitatiivinen analyysi näiden ansiolukujen selvittämiseksi. Kvantitatiivinen analyysi keskittyi magnesiumin ja alumiinin emissioihin sekä näiden suhteeseen. Tutkimuksessa havaittiin, että absoluuttisten intensiteettien stabiliteetti oli heikko, mutta normalisoidut intensiteetit olivat melko stabiileja. Magnesiumin emissioiden monitoroinnin toistettavuus oli hyvä, jopa 90 %. Sensitiivisyys oli myös korkealla tasolla. Jopa 0,5 % muutos magnesiumpitoisuudessa pystyttiin havaitsemaan spektrometrillä. Tutkimuksen toinen tavoite oli selvittää materiaalin menetys avaimenreikähitsauksen aikana. Materiaalin magnesiumpitoisuus mitattiin ennen ja jälkeen hitsauksen menetetyn magnesiumin selvittämiseksi. Tämä tutkimus toteutettiin alumiiniseoksilla, joissa oli nimellisesti 0-10 % magnesiumia sekä standardimateriaalilla EN AW-6060, jonka hitsauksessa käytettiin lisäainetta AlMg5. Tuloksista havaittiin, että magnesiumkato pysyi tasaisena riippumatta hitsin nimellisestä magnesiumpitoisuudesta. Lisäainelankaa syöttämällä päästiin hyvin samanlaisiin tuloksiin, kuin jo valmiiksi suurehkoja määriä magnesiumia sisältävää alumiinia hitsattaessa. Kolmas tavoite tässä tutkimuksessa oli selvittää syy, miksi piitä ei ole kyetty havaitsemaan hitsauksessa syntyvästä emissiospektristä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella voidaan todeta, että piin virittymiseen tarvittava energia on huomattavasti suurempi kuin magnesiumin, eikä laserhitsauksen energiantuonti kykene siis virittämään piiatomeja.