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.

Kuparin hitsaus kattavilla laatuvaatimuksilla

Kuparin ja kupariseosten hitsaus eroaa merkittävästi esimerkiksi terästen hitsauksesta. Suuri lämmönjohtavuus, lämpölaajeneminen, pehmeneminen ja kuparin taipumus liuottaa kaasuja sulaan asettavat hitsaukselle haasteita. Kuparia on perinteisesti hitsattu kaasuhitsaamalla ja kaasukaarihitsausprosesseilla, mutta uudemmat menetelmät kuten laserhitsaus, elektronisuihkuhitsaus ja FSW-hitsaus tarjoavat uudenlaisia käyttökohteita korkealla laadulla. ISO 3834-2 asettaa noudatettavat vaatimukset hitsaustoiminnalle laatuvaatimusten ollessa kattavia. Ydinvoimalaitoksella hitsauksessa tulee lisäksi noudattaa Säteilyturvakeskuksen YVL-ohjeita, joissa on määritetty lisävaatimuksia liitosten materiaalivalinnoille, pätevöittämiselle ja tarkastamiselle. Tässä työssä tutkittiin kuparimetallien hitsauksen mahdollisuutta Loviisan ydinvoimalaitoksella juottamisen sijasta siten, että kattavat laatuvaatimukset täyttyisivät. Hitsauskokeissa ja laboratoriotutkimuksissa testattiin hitsausta erilaisilla hitsausaineilla ja hitsausprosesseilla. Koetulosten pohjalta toteutettiin hitsausmenetelmä deoksidoidun kupariputken ja tinapronssilaipan TIG-hitsaukselle.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.