Welding of Sheet metal using Modified short arc MIG/MAG welding process

In this research work, the results of an investigation dealing with welding of sheet metals with diverse air gap using FastROOT modified short arc welding method and short circuit MAG welding processes have been presented. Welding runs were made under different conditions and, during each run, the different process parameters were continuously monitored. It was found that maximum welding speed and less HAZ are reached under specific welding conditions with FastROOT method with the emphasis on arc stability. Welding results show that modified short arc exhibits a higher electrode melting coefficient and with virtually spatter free droplet transition. By adjusting the short circuit duration the penetration can be controlled with only a small change in electrode deposition. Furthermore, by mixing pulsed MIG welding with modified arc welding the working envelope of the process is greatly extended allowing thicker material sections to be welded with improved weld bead aesthetics. FastROOT is a modified short arc welding process using mechanized or automated welding process based on dip transfer welding, characterized by controlled material deposition during the short circuit of the wire electrode to the workpiece.

Tunkeuman hallinta MIG/MAG-hitsauksessa

MIG/MAG-hitsaukselle tyypillinen ominaispiirre, valokaaren itsesäätyvyys, saavutetaan vakiojännitelähdettä käyttämällä. Valokaaren sisäisen säätömekanismin ansiosta kaarenpituus pysyy vakiona, vaikka hitsauspolttimen ja työkappaleen välinen etäisyys vaihtelisi hitsauksen aikana. Vakiojännitelähteen käyttäminen aiheuttaa kuitenkin kaaritehon vaihtelua vapaalankapituuden muuttuessa. Vapaalangan kasvaessa liian pitkäksi kaariteho laskee niin alas, ettei se enää riitä sulattamaan tarpeeksi perusainetta railon kyljissä. Tämän seurauksena hitsausliitokseen syntyy erilaisia liittymävirheitä. Käsinhitsauksessa vapaalangan pituus saattaa polttimen epävakaasta kuljetuksesta johtuen vaihdella erityisesti kokemattomilla hitsaajilla. Mekanisoidussa ja automatisoidussa hitsauksessa railojen mitta- ja muotopoikkeamat aiheuttavat vapaalankapituuden vaihtelua. Poikkeamia syntyy kaikissa hitsausrailojen esivalmistusvaiheissa. Lisäksi lämmöntuonnin aiheuttamat muodonmuutokset kappaleissa lisäävät poikkeamia railonsovituksessa hitsauksen aikana. Ongelma on useimmiten ratkaistavissa railonseurantaa käyttämällä. Railonseurantajärjestelmät ovat kuitenkin kalliita, eivätkä ne toimi luotettavasti kaikissa olosuhteissa. Diplomityössä tutkittiin uutta MIG/MAG-hitsauksen reaaliaikaiseen tunkeuman hallintaan kehitettyä säätöjärjestelmää. Työn tavoitteina olivat säätöjärjestelmän luotettavan toiminnan takaavien reunaehtojen ja kosketussuutinetäisyyden suositusrajojen määrittäminen. Tavoitteiden täyttämiseksi työn kokeellisessa osiossa suoritettiin laaja hitsauskokeiden sarja, jossa hitsattavina materiaaleina käytettiin seostamatonta ja runsasseosteista terästä.

Kehittyneiden hitsausprosessien soveltuvuus alumiinin ja hiiliterästen hitsaukseen

Diplomityössä tutkitaan hitsausprosessien kehitystä. Työn kirjallisen osan alku kuvaa hitsauksen nykypäivää ja tulevaisuutta sekä millainen on hitsaava Suomi. Kehittyneiden hitsausprosessien tarkastelu on jaettu hiiliterästen ja alumiinien hitsausprosesseihin. Hiiliteräksien hitsauksen osalta työssä esitellään kitkahitsaus pyörivällä työkalulla, muunnettu lyhytkaarihitsaus, laserhitsaus, laser-hybridihitsaus ja kapearailohitsaus. Alumiinien hitsauksen osalta työssä esitellään laserhitsaus, muunnettu lyhytkaarihitsaus, kitkahitsaus pyörivällä työkalulla ja vaihtovirta MIG hitsaus. Diplomityön käytännönosuudessa todennettiin hitsausprosessien kehitys. Ensimmäisissä hitsauskokeissa hitsattiin merialumiinia eri kaarityypeillä. Vertailua tehdään pulssihitsauksen, lankapulssihitsauksen sekä CMT-kaarihitsauksen välillä. Koehitsaukset osoittavat CMT-hitsauksen tuottavan MIG-pulssihitsausta pienemmät hitsausmuodonmuutokset. CMT-hitsauksessa alumiinin oksidikerros aiheuttaa MIGpulssihitsausta vähemmän ongelmia, sillä kaari syttyy varmemmin suurillakin hitsausnopeuksilla, eikä hitsiin synny huokosia. Hitsausnopeudella 40 cm/min lankapulssihitsauksella ja MIG-pulssihitsauksella päittäisliitoksena hitsattujen vesileikattujen alumiinikappaleiden hitseihin ei syntynyt huokosia. Kokeen perusteella voidaan todeta, ettei oksidikerroksella ollut vaikutusta hitsin onnistumiseen. Hitsauskokeiden toinen osio tutkii hiilimangaaniteräksisen T-palkin kuitulaserhitsausta. Viiden kilowatin laserteholla hitsattiin onnistuneesti viisi metriä pitkiä T-palkkeja hitsausnopeudella 2 m/min. Takymetrimittauksella ja Tritop 3D-koordinaattimittauksella todennettiin laserhitsatun T-palkin hitsausmuodonmuutosten olevan huomattavasti Twin-jauhekaarihitsauksella hitsattua T-palkkia pienemmät.

MIG-juotto väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä

Tässä tutkimuksessa esitellään MIG-juoton periaatteet ja tarkastellaan menetelmää siitä näkökulmasta, että menetelmä voisi toimia yhtenä varteenotettavana hitsattujen liitosten väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä. Muiden parantamismenetelmien laajaa kirjoa esitellään lyhyesti. MIG-juoton soveltuvuutta parantamismenetelmäksi tutkittiin väsytyskokein. Kokeiden avulla määritettiin pelkästään MIG-juotetun liitoksen väsymiskestävyys erilaisissa tapauksissa. Lisäksi määritettiin väsymiskestävyys tapauksessa, jossa perinteisen MAG-pienahitsin rajaviivalle MIG-juotetiin ylimääräinen palko. Jälkimmäisessä tapauksessa menetelmä toimii väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä. Väsytyskokeita tehtiin kaikkiaan 63 kpl.Kaikkiaan erilaisia väsytyskoesarjoja oli kymmenen, joista kuusi oli 8-10 koekappaletta käsittäviä varsinaisia tutkittavia tapauksia ja neljä pieniä, vain kaksi tai kolme koesauvaa käsittäviä pilottikoesarjoja. Koetuloksia verrattiin IIW:n(International Institute of Welding) suunnitteluohjeisiin ja suosituksiin. MIG-juotettujen liitosten väsymiskestävyys oli yleisesti ottaen hyvä. Päittäisliitosoli vähintään yhtä hyvä kuin tavanomaisesti hitsattu. Voimaa kantavassa taivutustapauksessa saatiin 110 % parempi väsymislujuus verrattuna IIW:n suunnitteluohjeeseen. Voimaa kantamattomissa poikittaisissa kiinnitysliitoksissa puolestaan saavutettiin paikallisia nimellisiä jännityksiä käyttäen 70-80 %:n parannus suunnitteluohjeeseen nähden. Pelkästään MIG-juotetun liitoksen ja 'parannetun' liitoksen väsymislujuudet olivat tässä tapauksessa likimain yhtä suuret. MIG-juottoa käytetään vaihtoehtoisena liittämismenetelmänä jo joissakin teollisissa sovelluksissa. Tämän tutkimuksen koetulokset antavat selviä viitteitä siitä, että menetelmä voisi toimia yhtenä varteenotettavana väsymiskestävyyden parantamiskeinona uusille tai korjatuille rakenteille. Vaaditaan kuitenkin vielä lisätutkimuksia, jotta menetelmää voisi soveltaa luottavaisin mielin tuotantokäytössä väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä.

Jauhekaari- ja tandem-MIG/MAG-hitsauksen vertailu

Tässä kanditaatintyössä vertaillaan jauhekaari- ja tandem-MIG/MAG-hitsausta kirjallisuustutkimuksena. Vertailun kohteena ovat hitsausprosessien tuottavuus ja kustannukset sekä hitsausprosesseilla saavutettava laatu. Lisäksi kandidaatintyössä esitetään hitsausprosesseille tyypilliset käyttökohteet CASE -esimerkkeinä.

Pulssimuodon vaikutus valokaaren käytettävyyteen pulssi-MIG/MAG-hitsauksessa

Käytettävyydeltään huippuluokkaa olevan pulssi-MIG/MAG-hitsausvalokaaren toteuttaminen vaatii runsaasti tietoa eri pulssiparametreista ja niiden vaikutuksista hitsaukseen. Näihin vaikutuksiin liittyvä tieteellinen tutkimus on ollut melko vähäistä. Erityisesti tieto pulssimuodon vaikutuksista hitsausääneen on perustunut lähinnä kokemuksen tuomaan tuntumaan. Tässä diplomityössä tutkittiin pulssimuodon vaikutusta valokaaren käytettävyyteen pulssi-MIG/MAG-hitsauksessa. Käytettävyys käsittää tässä tapauksessa hitsausäänen, hitsin geometrian ja hitsausominaisuudet. Tutkimuksen alussa perehdyttiin kirjallisuuteen ja tuoreimpiin tutkimuksiin, jonka jälkeen vertailtiin erilaisia pulssimuotoja keskenään hitsauskokeiden avulla. Hitsausääneen ja hitsin geometriaan liittyvät kokeet suoritettiin mekanisoidusti. Hitsausääneen liittyvät mittaukset suoritettiin luokan 1 äänitasomittarilla ja tuloksia analysoitiin tietokoneohjelmistolla. Hitsien geometrioiden vertailu suoritettiin makrohietutkimuksena. Hitsausominaisuuksia tutkittiin suurnopeuskameran ja oskilloskoopin, sekä lopulta käsinhitsauskokeiden avulla. Kaikissa koevaiheissa pulssimuodon tarkasteluun käytettiin oskilloskooppia. Lisäksi käytössä oli toinen oskilloskooppi, jolla tarkasteltiin hitsausvirran spektriä. Pulssimuodon muokkaamiseen käytettiin erillistä tietokoneohjelmaa. Työn kokeellinen osuus keskittyi pulssi-MAG-hitsaukseen. Pulssimuotoa muokkaamalla saatiin aikaan miellyttävämpi hitsausääni. Lisäksi havaittiin, että pulssimuotoa muokkaamalla hitsistä saadaan kapeampi, jolloin juuritunkeumaa saavutetaan enemmän. Käsinhitsauskokeet osoittivat muokatun pulssimuodon olevan myös hitsaajan näkökulmasta käytettävyydeltään paras pulssimuoto. Erityisesti valokaaren vakaus ja kohdistuvuus sekä suurien hitsausnopeuksien sietokyky olivat muokatun pulssimuodon etuja. Selviä haittavaikutuksia pulssimuodon muokkaamiselle ei löydetty.

Hitsaussuojakaasujen tehokas ja taloudellinen käyttö

Suojakaasun päätehtävänä on suojata hitsaustapahtumaa ympäröivän ilman vaikutukselta. Päätehtävän lisäksi suojakaasullavoidaan vaikuttaa suoraan tai välillisesti lähes kaikkiin hitsauksen asioihin, joista laatu, tehokkuus ja taloudellisuus muodostuvat. Suojakaasuja tarvitsevat hitsausmenetelmät ovat: kaasukaarihitsausprosessit (MIG/MAG-, TIG- ja plasmahitsaus), laserhitsaus sekä näiden yhdistelmät eli hybridihitsausmenetelmät sekä MIG-juotto. Hitsaussuojakaasujen peruskaasu tänä päivänä on argon, johon hitsausprosessista tai materiaalistariippuen sekoitetaan hiilidioksidia, heliumia, vetyä tai happea. Pääsääntöisesti hitsaussuojakaasut ovat kahden komponentin kaasuja, mutta 3-komponenttikaasut ovat yleistymässä. Sopivalla suojakaasuseostuksella saadaan erittäin merkittävä hyöty tuottavuuden lisääntyessä ja laadun parantuessa. Suojakaasujen oikealla toimitusmuodolla on merkittävä vaikutus kokonaiskustannuksiin. Uudet, kehittyneet sekoitinlaitteet mahdollistavat tarkat osakomponenttien sekoittamiset hitsauspaikalla. Seokset ovat jatkuvasti analysoitavissa ja jäljitettävissä. Suojakaasujen kierrätys on erityisesti kalliiden kaasujen, kuten helium ja argon, kohdalta tulevaisuuden haaste ja mahdollisuus. Suojakaasulla on suuri merkitys hitsauksen tuottavuuteen, taloudellisuuteen ja myös hitsausympäristöön ja työturvallisuuteen. Robottihitsauksen lisääntyminen asettaa vaatimuksia, joihinoikein valitulla suojakaasulla voidaan myönteisesti vaikuttaa. Tehokashitsaus on valmistusprosessin tärkeä osa, jossa oikein valituilla suojakaasuilla saavutetaan merkittävä tuottavuuden lisäys vaikuttamalla kaariominaisuuksiin, tunkeumaan, roiskeisiin, nopeuteen, hitsimetallurgiaan, lämmöntuontiin ja hitsausympäristöön. Diplomityössä tutkittiin casena Peikko Finland Oy:n suojakaasujärjestelmät, niiden tehokkuus, toimivuus ja sopivuus konepajan tuotantoon ja erityisesti robottihitsaukseen.

Levyrakenteistentuotteiden hitsauksen automatisointi

Työn teoriaosassa esitellään automatisodun hitsauksen etuja ja vaatimuksia. Teoriaosuuden edetessä keskitytään erityisesti robotisoituun MIG/MAG -hitsaukseen sekä teknisestä että taloudellisesta näkökulmasta katsottuna. Työn kokeelliseen osaan osallistui kaksi metallialan yritystä Pohjois-Karjalan alueelta. Ensimmäisessä yrityksessä kartoitettiin nykyisestä tuotannosta robottihitsattavia tuotteita. Tarkasteluun valituille tuotteille määriteltiin sopiva hitsausrobottijärjestelmä. Yrityksen tuotannolle oli ominaista asiakasohjautuva tuotanto, suhteellisen pienet sarjat ja tuotteet, joissa oli vähän hitsattavaa. Toisessa yrityksessä eräästä tuoteperheestä otettiin yksi tuote. Tuotteen avulla tutkittiin tuoteperheen hitsauksen automatisoinnin mahdollisuuksia ja sen aiheuttamia ongelmia. Suurimmat ongelmat tuotteen hitsauksen automatisoituessa ovat liitosten luoksepäästävyys, muodonmuutokset hitsauksen aikana ja erilaisten käytettävien materiaalien runsaus. Ensimmäisessä yrityksessä hitsattavien materiaalien paksuudet ovat pääosin kolme millimetriä tai sen alle. Toisessa yrityksessä hitsattavien materiaalin paksuudet ovat pääsääntöisesti yli kolme millimetriä. Työn kokeellisessa osassa vertaillaan ohuiden ja paksujen levyrakenteisten tuotteidenhitsauksen automatisoinnin yhteneväisyyksiä ja eroja teorian- ja käytännön osuuksien valossa.

Nd:YAG Laser Welding of 5083 Aluminium Alloy using Filler Wire

High reflectivity and high thermal conductivity, high vapour pressure of alloyingelements as well as low liquid surface tension and low ionisation potential, make laser welding of aluminium and its alloys a demanding task.Problems that occur during welding are mainly process instabilities of the keyhole and the melt pool, increased plasma formation above the melt pool and loss of alloying elements. These problems lead to unwanted metallurgical defects like hot cracks and porosity in the weld bead andother problems concerning the shape and appearance of the weld bead. In order to minimise the defects and improve the weld quality, the process and beam parameters need to be carefully adjusted along with a consideration concerning the use of filler wire for the welding process. In this work the welding of 3,0 mm thick grade 5083 aluminium alloy plates using a 3,0 kW Nd:YAG laser with grade 5183 filler wire addition is investigated. The plates were welded as butt joints with air gap sizes 0,5 mm, 0,7mm and 1,0 mm. The analysis of the weld beads obtained from the weldedsamples showed that the least imperfections were produced with 0,7 mm air gaps at moderate welding speeds. The analysis also covered the calculation of the melting efficiency and the study of the shape of the weld bead. The melting efficiency was on average around 20 % for the melting process of the welded plates. The weld beads showed the characteristic V-shape of a laser weld and retained this shape during the whole series of experiments.

Kantavan kehikkorakenteen valmistuksen kehittäminen

Paperikoneen hoitotason muodostaa kantava kehikkorakenne sekä kehikkorakenteiden tuennat. Kantavan kehikkorakenteen valmistuson perinteistä hitsaavaa konepajatuotantoa. Työssä esitetään ratkaisuja valmistuksen kehittämiseen, näiden avulla on tavoitteena pudottaa valmistuksen läpimenoaikaa ja lopullisesti vastata kiristyneeseen kilpailutilanteeseen. Laajempana tavoitteena on osoittaa automaation mahdollisuudet kyseiseen tuotantoon. Alumiinisten rakenteiden toimitukset ovat jatkuvasti kasvaneet. Tähän rakenneryhmään haluttiin panostaa ja tehdä tuotteesta markkinoiden paras sekä kehittää valmistusta, jotta voitaisiin vastata kilpailuun ja lyhyisiin toimitusaikoihin. Työssä esitettävät ratkaisut on suunnattu alumiinisen kantavan kehikon valmistuksen kehittämiseen. Valmistuksen kehittäminen käsittää tuotteen rakennekomponenttien suunnittelemista valmistuksen kannalta, automaation lisäämistä osavalmistukseen sekä hitsauksen kevytmekanisointia.

Suurnopeuskuvaustekniikan soveltaminen hitsausvalokaaren tutkimuksessa

Työn tavoitteena oli suurnopeuskuvaustekniikan ottaminen osaksi Kemppi Oy:n tuotekehitystä. Työn teoriaosa sisältää hitsausvalokaaren ja lisäaineensiirtymisen teoriaa,sekä perehtymisen suurnopeuskuvaustekniikkaan ja siihen vaadittaviin laitteistoihin. Teoriassa tarkastellaan myös MIG/MAG -päittäisliitoksen olemassa oleviin pohjapalon hitsausprosesseihin. Kokeellisen osan tuloksena syntyi suurnopeuskuvaustekniikkaan pohjautuva tutkimusmenetelmä. Rakennetulla järjestelmällä nähtiin hyvin teoriassa esitetyt MIG/MAG -hitsauksen kaarityypit ja lisäaineensiirtymisen muodot. Kuvattuja tuloksia kyettiin analysoimaan ja vertaamaan teoriaan. Päittäisliitoksen pohjapalon hitsaukseen soveltuvan prosessin kehitys oli osa käytännön osuutta. Tehdyillä kuvauksilla onnistuttiin havainnoimaan kehitetyn valokaaren ja aineensiirtymisen ilmiöitä. Näiden ymmärtäminen helpottui kuvauksien ansiosta ja tämä nopeutti ja mahdollisti tuotekehitystyötä. Tuloksena valmistui uusi pulssitettu lyhytkaariprosessi. Työn tuloksena syntyi uusi suurnopeuskuvaustekniikkaan nojautuva tuotekehitysprosessi, jossa uusi tekniikka kyetään liittämäänosaksi tutkimus- ja kehitystyötä. Tuloksia voidaan käyttää myös markkinoinnin ja myynnin edistämiseen.

Effect of Shielding Gases in Laser Welding of Aluminium Alloys

High reflectivity to laser light, alloying element evaporation during high power laser welding makes aluminium alloys highly susceptibility to weld defects such as porosity, cracking and undercutting. The dynamic behaviour of the keyhole, due to fluctuating plasma above the keyhole and the vaporization ofthe alloying elements with in the keyhole, is the key problem to be solved for the improvement of the weld quality and stabilization of the keyhole dynamics isperhaps the single most important development that can broaden the application of laser welding of aluminium alloys. In laser welding, the shielding gas is commonly used to stabilize the welding process, to improve the welded joint features and to protect the welded seam from oxidation. The chemicalcomposition of the shielding gas is a key factor in achieving the final qualityof the welded joints. Wide range of shielding gases varying from the pure gasesto complex mixtures based on helium, argon, nitrogen and carbon dioxide are commercially available. These gas mixtures should be considered in terms of their suitability during laser welding of aluminium alloys to produce quality welds. The main objective of the present work is to study the effect of the shielding gascomposition during laser welding of aluminium alloys. Aluminium alloy A15754 was welded using 3kW Nd-YAG laser (continuous wave mode). The alloy samples were butt welded with different shielding gases (pure and mixture of gases) so that high quality welds with high joint efficiencies could be produced. It was observed that the chemical composition of the gases influenced the final weld quality and properties. In general, the mixture gases, in correct proportions, enabled better utilisation of the properties of the mixing gases, stabilized the welding process and produced better weld quality compared to the pure shielding gases.

Visual measurement of laser-arc hybrid welding

Tässä työssä raportoidaan hybridihitsauksesta otettujen suurnopeuskuvasarjojen automaattisen analyysijärjestelmän kehittäminen.Järjestelmän tarkoitus oli tuottaa tietoa, joka avustaisi analysoijaa arvioimaan kuvatun hitsausprosessin laatua. Tutkimus keskittyi valokaaren taajuuden säännöllisyyden ja lisäainepisaroiden lentosuuntien mittaamiseen. Valokaaria havaittiin kuvasarjoista sumean c-means-klusterointimenetelmän avullaja perättäisten valokaarien välistä aikaväliä käytettiin valokaaren taajuuden säännöllisyyden mittarina. Pisaroita paikannettiin menetelmällä, jossa yhdistyi pääkomponenttianalyysi ja tukivektoriluokitin. Kalman-suodinta käytettiin tuottamaan arvioita pisaroiden lentosuunnista ja nopeuksista. Lentosuunnanmääritysmenetelmä luokitteli pisarat niiden arvioitujen lentosuuntien perusteella. Järjestelmän kehittämiseen käytettävissä olleet kuvasarjat poikkesivat merkittävästi toisistaan kuvanlaadun ja pisaroiden ulkomuodon osalta, johtuen eroista kuvaus- ja hitsausprosesseissa. Analyysijärjestelmä kehitettiin toimimaan pienellä osajoukolla kuvasarjoja, joissa oli tietynlainen kuvaus- ja hitsausprosessi ja joiden kuvanlaatu ja pisaroiden ulkomuoto olivat samankaltaisia, mutta järjestelmää testattiin myös osajoukon ulkopuolisilla kuvasarjoilla. Testitulokset osoittivat, että lentosuunnanmääritystarkkuus oli kohtuullisen suuri osajoukonsisällä ja pieni muissa kuvasarjoissa. Valokaaren taajuuden säännöllisyyden määritys oli tarkka useammassa kuvasarjassa.

Welding time models for cost calculations in the early stages of the design process

It is generally accepted that between 70 and 80% of manufacturing costs can be attributed to design. Nevertheless, it is difficult for the designer to estimate manufacturing costs accurately, especially when alternative constructions are compared at the conceptual design phase, because of the lack of cost information and appropriate tools. In general, previous reports concerning optimisation of a welded structure have used the mass of the product as the basis for the cost comparison. However, it can easily be shown using a simple example that the use of product mass as the sole manufacturing cost estimator is unsatisfactory. This study describes a method of formulating welding time models for cost calculation, and presents the results of the models for particular sections, based on typical costs in Finland. This was achieved by collecting information concerning welded products from different companies. The data included 71 different welded assemblies taken from the mechanical engineering and construction industries. The welded assemblies contained in total 1 589 welded parts, 4 257 separate welds, and a total welded length of 3 188 metres. The data were modelled for statistical calculations, and models of welding time were derived by using linear regression analysis. Themodels were tested by using appropriate statistical methods, and were found to be accurate. General welding time models have been developed, valid for welding in Finland, as well as specific, more accurate models for particular companies. The models are presented in such a form that they can be used easily by a designer, enabling the cost calculation to be automated.