Thick Section Laser Beam Welding of Structural Steels: Methods for Improving Welding Efficiency

Laser beam welding (LBW) is applicable for a wide range of industrial sectors and has a history of fifty years. However, it is considered an unusual method with applications typically limited to welding of thin sheet metal. With a new generation of high power lasers there has been a renewed interest in thick section LBW (also known as keyhole laser welding). There was a growing body of publications during 2001-2011 that indicates an increasing interest in laser welding for many industrial applications, and in last ten years, an increasing number of studies have examined the ways to increase the efficiency of the process. Expanding the thickness range and efficiency of LBW makes the process a possibility for industrial applications dealing with thick metal welding: shipbuilding, offshore structures, pipelines, power plants and other industries. The advantages provided by LBW, such as high process speed, high productivity, and low heat input, may revolutionize these industries and significantly reduce the process costs. The research to date has focused on either increasing the efficiency via optimizing process parameters, or on the process fundamentals, rather than on process and workpiece modifications. The argument of this thesis is that the efficiency of the laser beam process can be increased in a straightforward way in the workshop conditions. Throughout this dissertation, the term “efficiency” is used to refer to welding process efficiency, specifically, an increase in efficiency refers an increase in weld’s penetration depth without increasing laser power level or decreasing welding speed. These methods are: modifications of the workpiece – edge surface roughness and air gap between the joining plates; modification of the ambient conditions – local reduction of the pressure in the welding zone; modification of the welding process – preheating of the welding zone. Approaches to improve the efficiency are analyzed and compared both separately and combined. These experimentally proven methods confirm previous findings and contribute additional evidence which expand the opportunities for laser beam welding applications. The focus of this research was primarily on the effects of edge surface roughness preparation and pre-set air gap between the plates on weld quality and penetration depth. To date, there has been no reliable evidence that such modifications of the workpiece give a positive effect on the welding efficiency. Other methods were tested in combination with the two methods mentioned above. The most promising - combining with reduced pressure method - resulted in at least 100% increase in efficiency. The results of this thesis support the idea that joining those methods in one modified process will provide the modern engineering with a sufficient tool for many novel applications with potential benefits to a range of industries.

Productivity development at construction branch after the last recession

EPC 2006 kansainvälinen tuottavuuskonfrenssi

Effects of three harvesting work methods on Harwarder productivity in final felling

Abstract

Historical logging, productivity, and structural characteristics of boreal coniferous forests in Norway

Abstract

Tuotannon ohjattavuuden kehittäminen asiakasohjautuvassa tuotannossa

Työssä selvitettiin tuotannon ohjattavuuden parantamisen mahdollisuuksia keskisuuressa yrityksessä. Työn pyrkimyksenä on laatia pohja täysipainoisen tuotannonohjausjärjestelmän kehittämiselle. Työn teoriaosassa käsitellään tuotannon, tuottavuuden ja tuotannonohjauksen peruskäsitteitä. Lisäksi selvitetään hitsaavan tuotannon kehittämisen keinoja sekä yleisiä hitsaukseen liittyviä käsitteitä. Näiden ohella teoriaosuudessa kerrotaan hieman työn käytännön osaa sivuavista aiheista kuten investointilaskelmista. Käytännön osa jakautuu nykytilan selvittämiseen ja kehityskohteiden laatimiseen. Nykytilaa selvitettiin omilla havainnoilla, haastatteluilla sekä tilaus-toimitusketjun tarkasteluilla. Kehittämisen keinoja olivat pääasiassayrityksen laatutoimintaan liittyvät asiat kuten dokumentointi kaikillaosa-alueilla. Yksittäisiä tuotannon tehokkuutta parantavia toimenpiteitä ovat mm. robottihitsauksen kiinnittimien kehitystoimenpiteet, tuotteiden modulointi ja laserleikkauksen monipuolisempi hyväksikäyttö.

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.

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.

Seostamattoman hitsausteräksen leimuhitsaus

Valssilangan valmistuksessa päättymättömällä valssausprosessilla voidaan parantaa tuotannon tuottavuutta ja joustavuutta. Menetelmän ansiosta myös valssilankakieppien kokoa voidaan vaihdella asiakkaan tarpeiden mukaan. Prosessin joustavuus ja tuottavuus perustuvat liikkuvaan leimuhitsauslaitteistoon, jolla austeniittialueelle kuumennetut teelmät hitsataan toisiinsa ennen valssausta. Koska leimuhitsausliitoksen hyvä laatu on valmistusprosessin kannalta erityisen tärkeää, tutkittiin tässä työssä hitsausparametrien vaikutusta liitoksen laatuun. Hitsausparametreista tärkeimpiä ovat leimutusaika ja -jännite sekä tyssäyksen voima ja määrä. Parametrien ollessa liian suuria muodostuvat liitospinnat liian plastisiksi ja sopivan tyssäysvoiman ylläpitäminen on vaikeaa. Liian pienillä parametreilla liitospintojen plastisoituminen jää kesken ja tyssäys jää puutteelliseksi. Leimuhitsauksen laatuun vaikuttaa myös liitospinta-alan koko. Kaikki nämä tekijät heikentävät liitoksia, joten parametrien optimaalisuus on liitoksen hyvän laadun kannalta välttämätön. Parametrikokeina hitsattujen koekappaleiden rakennetta ja ominaisuuksiatutkittiin ainetta rikkovilla kokeilla. Lyhyemmillä leimutusajoilla hitsatuistakoekappaleista löytyi virheitä, jotka heikensivät huomattavasti liitoksien laatua. Menetelmäkokeiden perusteella koekappaleet eivät kaikilta osin täyttäneet liitosten laatuvaatimuksia.

Hitsausmenetelmät ja niiden kehittämismahdollisuudet painelaitteiden valmistuksessa

Työn tavoitteena oli painelaitteiden hitsaustuotannon kehittäminen. Keinoina olivat käytössä olevien hitsausprosessienkehittäminen tai niiden käytön tehostaminen ja mahdollisesti muiden hitsausprosessien, kuten plasma-, laser- tai hybridihitsauksen, käyttöönotto. Työn teoriaosassa käsiteltiin painelaitteiden valmistuksessa käytettävät hitsausprosessit ja niiden kehittämiskeinot, hitsauskustannuksen muodostuminen sekä miten näihin kustannuksiin voidaan vaikuttaa. Lisäksi tarkasteltiin painelaitteiden valmistuksessa käytettävien materiaalien hitsattavuutta ja laadunvarmistusta. Tutkimusosuudessa käytiin läpi valmistuksen nykytila ja tehtiin tuotannon analysointi kehittämiskohteeksi valitulle lämmönsiirtimelle. Kehitysehdotuksenatuotannon tehostamiseksi ehdotettiin MAG-täytelanka- ja jauhekaarihitsauksen käytön lisäämistä. Lisäksi ehdotettiin juurituen käyttöä ja hitsauksen mekanisoinnin lisäämistä. Plasma- tai hybridihitsauksen käytöllä todettiin pystyttävän lyhentämään läpimenoaikoja. Ennen laitteistohankintojen tekoa täytyy tehdä lisäselvityksiä soveltuvuuden ja kannattavuuden varmistamiseksi.