Laserhitsattavan tuotteen suunnittelu

Tässä työssä tarkastellaan laserhitsattavan tuotteen suunnittelua ja sen tuotekehitykseen liittyviä tekijöitä. Tuotteen suunnittelua käsitellään valmistuksellisesta näkökulmasta, eli siitä, kuinka tuotteen suunnittelussa voidaan ottaa huomioon tuotteen valmistus- ja kokoonpanoystävällisyys. Laserhitsattavan tuotteen suunnittelua käsitellään myös tuotteen ominaisuuksien kannalta, eli kuinka lopullisesta tuotteesta saadaan mahdollisimman laadukas ja kilpailukykyinen. Suomen kaarihitsausosaaminen on kansainvälisesti korkealuokkaista, mutta laserhitsaus eroaa perinteisistä kaarihitsausprosesseista paljon. Kun laserilla hitsattavaa tuotetta suunnitellaan, ovat menetelmäkohtaiset suunnittelusäännöt erilaiset kuin kaarihitsauksessa. Laserhitsaus vaatii teknisesti pajalta enemmän, mutta se myös avaa uusia ovia tuotesuunnittelulle ja mahdollistaa tuotteita, jotka olisivat perinteisillä menetelmillä hankalia tai mahdottomia valmistaa. Oikein käyttöönotettuna laserhitsauksella voidaan päästä matalampiin valmistuskustannuksiin. Kustannustehokkaaseen tuotantoon päästäkseen täytyy kuitenkin ymmärtää tuotteen kustannusrakenne. Työn lopussa tarkastellaan ja vertaillaan perinteisen ja laserhitsatun tuotteen kustannuksia ja kustannusrakennetta.

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.

Modifioidun MAG-kaarihitsausprosessin hyödyntäminen railotilavuuden pienentämisessä mekanisoidussa orbitaalihitsauksessa.

Länsimaisen työn hinta luo jatkuvan paineen hitsauksen tuottavuuden parantamiseen. MIG/MAG-hitsauksen tuottavuutta voidaan parantaa tehostamalla hitsausprosessia, vähentämällä hitsien lukumäärää ja pienentämällä hitsiaineen tarvetta. Eri virtalähdevalmistajat tuovat markkinoille hitsausprosesseja hitsauksen tehostamiseen, joilla pystytään korvata vähemmän tuottavia hitsaustyövaiheita. Hitsien lukumäärän vähentäminen on rakenteen suunnitteluun liittyvä tekijä ja hitsiaineen tarpeen pienentäminen voidaan toteuttaa railogeometrian muutoksilla tai tuotteen sopivalla suunnittelulla. Diplomityössä on tutkittu 30 mm paksujen S355 rakenneteräsputkien hitsauksen tuottavuuden kasvattamista käyttäen nykyaikaisia modifioituja kaarihitsausprosesseja ja railotilavuutta pienentämällä. Työssä vertailtiin 30o ja 60o railokulmalla tehtyjä liitoksia. Railogeometrian muutoksen lisäksi diplomityössä vertailtiin eri menetelmien tehokkuutta putken pohjapalon hitsauksessa.

Vedenalainen hitsaus

Tässä kandidaatintyössä esitellään ensin vedenalainen hitsaus yleisesti. Työssä käydään läpi vedenalaisen hitsauksen eri pääalueet ja niissä käytetyt hitsaustekniikat, sekä tarkastellaan veden vaikutusta hitsiin. Työ sisältää myös materiaali esimerkkejä, joita vedenalaisessa hitsauksessa käytetään. Vedenalainen hitsaus toimii asennus- ja korjaushitsauksena. Hitsausprosessit, joita työssä käsitellään, ovat puikko-, täytelanka- ja kitkahitsaus. Näitä hitsaustekniikoita käytetään märkähitsauksessa, mikä poikkeaa selvästi kuivassa ympäristössä tapahtuvaan hitsaamiseen, jossa hitsi ei pääse välittömästi kosketukseen veden kanssa. Työn tarkoituksena on antaa informaatiota vedenalaisesta hitsauksesta ja sen hyödyntämisestä hitsaustekniikassa.

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.

On the effects of welding parameters on weld quality of plasma arc keyhole welding of structural steels

The possibility and the usefulness of applying plasma keyhole welding to structural steels with different compositions and material thicknesses, and in various welding positions has been examinated. Single pass butt welding with I groove in flat, horizontal vertical and vertical positions and root welding with V , Y and U grooves of thick plate material in flat position have been studied and the welds with high quality has been obtained. The technological conditions for successful welding are presented. The single and interactive effects of welding parameters on weld quality, especially on surface weld defects, geometrical form errors, internal defects and mechanical properties (strength, ductility, impact toughness, hardness and bendability) of weld joint, are presented. Welding parameter combinations providing the best quality welds are also presented.

The effect of shielding gas feeding method in laser welding of steel

Gas shielding plays an important role in laser welding phenomena. This is because it does not only provide shielding against oxidization but it has an effect in beam absorption and thus welds penetration. The goal of this thesis is to study and compare the effects of different shielding gas feeding methods in laser welding of steel. Research method is a literature survey. It is found that the inclination angle and the arrangement of the gas feeding nozzles affect the phenomena significantly. It is suggested that by designing shielding gas feeding case specifically better welding results can be obtained.

Tandem-MAG-welding of high strength steels for shipbuilding applications

Tämän työn tavoitteena oli hitsata tandem MAG –laitteistolla 25 mm paksua Ruukin E500 TMCP terästä. Työssä oli tarkoituksena vähentää railotilavuutta mahdollisimman paljon sekä suorittaa testihitsaukset 0.8 kJ/mm sekä 2.5 kJ/mm lämmöntuonneilla. Teoriaosuudessa käsiteltiin Tandem MAG-hitsaukseen, sen tuottavuuteen ja laatukysymyksiin liittyviä asioita sekä siinä perehdyttiin suurlujuusteräksien käyttöön hitsauksessa sekä laivanrakennuksessa. Kokeellisessa osuudessa perehdyttiin hitsauksessa huomattuihin etuihin, ongelmiin sekä ongelmien ratkaisumahdollisuuksiin. Hitsausliitoksen mekaaniset ominaisuudet tutkittiin rikkomattomin sekä rikkovin menetelmin. Alustavat hitsausohjeet luotiin kummallekin lämmöntuonnille. Testaukset aloitettiin 30 º railokulmalla pienentäen kulmaa mahdollisuuksien mukaan. Testauksissa ei saatu hitsattua onnistuneesti alle 30 º railokulmalla. Hitsaustestien aikana huomattiin magneettisen puhalluksen vaikutus hitsaustapahtumaan. Kaasunvirtausnopeuden tuli olla tietyn suuruinen jotta palkokerrokset onnistuivat ilman huokoisuusongelmaa. Pienemmällä lämmöntuonnilla hitsattaessa kaasunvirtausnopeudet olivat tärkeämpiä hitsatessa ylempiä palkokerroksia. Kääntämällä hitsauspoltinta sivuttaissuunnassa 7-10 astetta auttoi ehkäisemään reunahaavan syntymistä. Rikkovista menetelmistä testitulokset olivat hyväksyttyjä kaikkien muiden paitsi päittäishitsin sivutaivutuskokeen osalta.

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.

Modeling dynamic behavior in tilting pad gas journal bearings

Thisresearch deals with the dynamic modeling of gas lubricated tilting pad journal bearings provided with spring supported pads, including experimental verification of the computation. On the basis of a mathematical model of a film bearing, a computer program has been developed, which can be used for the simulation of a special type of tilting pad gas journal bearing supported by a rotary spring under different loading conditions time dependently (transient running conditions due to geometry variations in time externally imposed). On the basis of literature, different transformations have been used in the model to achieve simpler calculation. The numerical simulation is used to solve a non-stationary case of a gasfilm. The simulation results were compared with literature results in a stationary case (steady running conditions) and they were found to be equal. In addition to this, comparisons were made with a number of stationary and non-stationary bearing tests, which were performed at Lappeenranta University of Technology using bearings designed with the simulation program. A study was also made using numerical simulation and literature to establish the influence of the different bearing parameters on the stability of the bearing. Comparison work was done with literature on tilting pad gas bearings. This bearing type is rarely used. One literature reference has studied the same bearing type as that used in LUT. A new design of tilting pad gas bearing is introduced. It is based on a stainless steel body and electron beam welding of the bearing parts. It has good operation characteristics and is easier to tune and faster to manufacture than traditional constructions. It is also suitable for large serial production.

Tandem-GMA Welding of Low Alloy Structural Steel

The Tandem-GMAW method is the latest development as the consequences of improvements in the welding methods. The twin-wire and then the Tandem-method with the separate power sources has got a remarkable place in the welding of many types of materials with different joint types. The biggest advantage of Tandem welding method is the flexibility of choosing both the electrodes of different types from each other according to the type of the parent material. This is possible because of the feasibility of setting the separate welding parameters for both the wires. In this thesis work the effect of the variation in three parameters on the weld bead in Tandem-GMA welding method is studied. Theses three parameters are the wire feed rate in the slave wire, the wire feed rate in the master wire and the voltage difference in both the wires. The results are then compared to study the behaviour of the weld bead with the change in these parameters.

The effects of some variables on CO2 laser-MAG hybrid welding

The CO2-laser-MAG hybrid welding process has been shown to be a productive choice for the welding industry, being used in e.g. the shipbuilding, pipe and beam manufacturing, and automotive industries. It provides an opportunity to increase the productivity of welding of joints containing air gaps compared with autogenous laser beam welding, with associated reductions in distortion and marked increases in welding speeds and penetration in comparison with both arc and autogenous laser welding. The literature study indicated that the phenomena of laser hybrid welding are mostly being studied using bead-on-plate welding or zero air gap configurations. This study shows it very clearly that the CO2 laser-MAG hybrid welding process is completely different, when there is a groove with an air gap. As in case of industrial use it is excepted that welding is performed for non-zero grooves, this study is of great importance for industrial applications. The results of this study indicate that by using a 6 kW CO2 laser-MAG hybrid welding process, the welding speed may also be increased if an air gap is present in the joint. Experimental trials indicated that the welding speed may be increased by 30-82% when compared with bead-on-plate welding, or welding of a joint with no air gap i.e. a joint prepared as optimum for autogenous laser welding. This study demonstrates very clearly, that the separation of the different processes, as well as the relative configurations of the processes (arc leading or trailing) affect welding performance significantly. These matters influence the droplet size and therefore the metal transfer mode, which in turn determined the resulting weld quality and the ability to bridge air gaps. Welding in bead-onplate mode, or of an I butt joint containing no air gap joint is facilitated by using a leading torch. This is due to the preheating effect of the arc, which increases the absorptivity of the work piece to the laser beam, enabling greater penetration and the use of higher welding speeds. With an air gap present, air gap bridging is more effectively achieved by using a trailing torch because of the lower arc power needed, the wider arc, and the movement of droplets predominantly towards the joint edges. The experiments showed, that the mode of metal transfer has a marked effect on gap bridgeability. Transfer of a single droplet per arc pulse may not be desirable if an air gap is present, because most of the droplets are directed towards the middle of the joint where no base material is present. In such cases, undercut is observed. Pulsed globular and rotational metal transfer modes enable molten metal to also be transferred to the joint edges, and are therefore superior metal transfer modes when bridging air gaps. It was also found very obvious, that process separation is an important factor in gap bridgeability. If process separation is too large, the resulting weld often exhibits sagging, or no weld may be formed at all as a result of the reduced interaction between the component processes. In contrast, if the processes are too close to one another, the processing region contains excess molten metal that may create difficulties for the keyhole to remain open. When the distance is optimised - i.e. a separation of 0-4 mm in this study, depending on the welding speed and beam-arc configuration - the processes act together, creating beneficial synergistic effects. The optimum process separation when using a trailing torch was found to be shorter (0-2 mm) than when a leading torch is used (2-4 mm); a result of the facilitation of weld pool motion when the latter configuration is adopted. This study demonstrates, that the MAG process used has a strong effect on the CO2-laser-MAG hybrid welding process. The laser beam welding component is relatively stable and easy to manage, with only two principal processing parameters (power and welding speed) needing to be adjusted. In contrast, the MAG process has a large number of processing parameters to optimise, all of which play an important role in the interaction between the laser beam and the arc. The parameters used for traditional MAG welding are often not optimal in achieving the most appropriate mode of metal transfer, and weld quality in laser hybrid welding, and must be optimised if the full range of benefits provided by hybrid welding are to be realised.

Advanced welding technologies used for arctic metal structures

Rapid depletion of easy-to-access fossil fuel, predominantly, oil and gas resources has now necessitated increase in need to develop new oil and gas sources in ever more remote and hostile environments. This is necessary in order to explore more oil and gas resources to meet rapidly rising long-term energy demand in the world, both at present and in the nearest future. Arctic is one of these harsh environments, where enormous oil and gas resources are available, containing about 20% of the world total oil and gas, but the environmental conditions are very harsh and hostile. However, virtually all the facilities required for the exploration and development of this new energy source are constructed with metals as well as their alloys and are predominantly joined together by welding processes and technologies. Meanwhile, due to entirely different environment from the usual moderate temperate region, conventional welding technologies, common metals and their alloys cannot be applied as this Arctic environment demand metals structures with very high toughness and strength properties under extremely low temperature. This is due to the fact that metals transit from ductility to brittleness as the temperature moves toward extreme negative values. Hence, this research work investigates and presents the advanced welding technologies applicable to Arctic metal structures which can give satisfactory weldments under active Arctic service conditions. .

Kaarityypin ja suojakaasun vaikutus roiskeisuuteen teräksen MAG-hitsauksessa

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan suojakaasun ja kaarityypin vaikutuksia roiskeisuuden muodostumiselle teräksen MAG-hitsauksessa (nro. 135). Roiskeisuuden tutkimisessa tutkitaan kolmea (3) eri kaarityyppiä ja kahta (2) eri suojakaasua ja niiden keskenäisiä vaikutuksia roiskeiden syntymiselle. Tutkittavat kaarityypit ovat pulssi-, kuumakaari sekä Kemppi Oy:n WiseFusion erikoiskaarisovellus. Suojakaasuina käyetään AGAn Corgon 3 ja Mison 18 suojakaasuja. Hitsauskokeita suoritetaan kuusi (6) kappaletta alapienana jalkoasennossa (PA). Työn alussa perehdytään MAG-hitsauksen laitteistoon ja teoriaan sekä perehdytään mitkä eri asiat vaikuttavat roiskeiden muodostumiseen. Työn lopussa verrataan tieteellisistä julkaisuista löydettyjä tietoja ja tuloksia itsetehtyihin koetuloksiin.