Laser- plasma- hybridihitsauksen käytettävyys teollisuudessa

Hybridihitsaukseksi nimitetään yleensä hitsausprosesseja, joissa yhdistetään kaari- ja laserhitsauksen vahvuudet. Laser- MIG/MAG- prosessit ovat näistä selvästi yleisimpiä, mutta muillekin prosesseille on sovelluksia. Tässä kandidaatintyössä on arvioitu laser- plasma- hybridihitsausprosessin käytettävyyttä teollisuuden prosesseissa. Arviointi on tehty vertailevana kirjallisuustutkimuksena laser- plasma- hybridiprosessin, laserhitsauksen, sekä muiden laser- hybridihitsausprosessien kesken. Prosessien vertailun lisäksi työssä on käsitelty hybridihitsausprosessien parametrien valintaa ja laser- plasma- hybridiprosessin erityispiirteitä.

Suojakaasuseoksen koostumuksen vaikutus CO2-laser-MAG-hybridihitsauksessa

Hitsaavassa teollisuudessa kilpailukyvyn säilyttäminen edellyttää hitsauksen tehokkuuden nostoa. Niinpä metalliteollisuus etsii kuumeisesti uusia yhä tehokkaampia hitsausmenetelmiä. CO2-laserin ja MAG:in yhdistelmän muodostamalla hybridihitsauksella saadaan aikaan syvä tunkeuma kuten laserhitsauksessa, mutta sallitaan laserhitsausta väljemmät railotoleranssit. Samalla muodonmuutokset vähenevät huomattavasti verrattuna perinteiseen kaarihitsaukseen. Kaariavusteisessa laserhitsauksessa yhdistetään laserhitsaukseen perinteinen kaarihitsaus eli MIG/MAG-, TIG- tai plasmahitsaus. Menetelmää voidaan kutsua myös hybridihitsaukseksi ja sillä hyödynnetään molempien prosessien edut välttyen yksittäisten prosessien haitoilta. Prosessin haittapuolena on parametrien suuri määrä, joka on rajoittanut menetelmän käyttöönottoa. Diplomityössä tutkittiin suojakaasuseoksen koostumuksen vaikutusta rakenneteräksen CO2-laser-MAG-hybridihitsauksessa. Laserhitsauksen ja MAG-hitsauksen suojakaasuvirtaukset yhdistettiin siten, että heliumseosteinen suojakaasu tuotiin MAG-polttimen kaasukuvun kautta. Suojakaasun heliumpitoisuus nostettiin niin korkeaksi, että estettiin laserhitsauksen muodostaman plasman syntyminen. Samalla hitsauskokeissa opittiin paremmin ymmärtämään prosessia ja sen parametrien riippuvuutta toisiinsa. Tutkitut suojakaasuseokset koostuivat heliumista, argonista ja hiilidioksidista. Hitsauskokeiden perusteella havaittiin, että suojakaasuseoksen optimaalinen heliumpitoisuus on 40-50 %. Tällöin laserin tunkeumaa häiritsevää plasmapilveä ei synny ja prosessi on stabiili. Päittäisliitosten hitsauksessa suojakaasuseoksen 2 %:n CO2-pitoisuudella saadaan aikaan hyvin vähän huokosia sisältävä hitsi, jonka tunkeumaprofiilin muoto ja liittymä perusaineeseen on juoheva. Pienaliitoksilla 7 %:n CO2-pitoisuudella prosessi pysyy stabiilina ja vähäroiskeisena. Tunkeuma hieman levenee hitsin keskeltä ja hitsin liittyminen perusaineeseen on juoheva.CO2-laser-MAG-hybridihitsauksella aikaansaadaan laadukkaita hitsejä taloudellisesti, mikäli käytetyt parametrit ovat oikein valittuja. Parametrit on sovitettava jokaiseen hitsaustapaukseen erikseen, eikä niitä välttämättä voida suoraan käyttää toisessa tapauksessa.

Laser-TIG–hybridihitsauksen soveltuvuustutkimus

Tässä tutkimuksessa selvitetään ilman hitsauslisäainetta tapahtuvan laser–TIG–hybridihitsausprosessin soveltuvuus 6 mm ja 8 mm paksujen päittäisliitettyjen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsaukseen. Hitsien tarkastelussa huomio kiinnitetään hitsausnopeuteen, hitsien tunkeumaan, liittämistehokkuuteen, hitsien kovuuteen ja hitsausliitoksen ulkonäköön. Muita tutkittavia asioita ovat laser-TIG-hybridihitsattujen levyjen muodonmuutokset ja suuresta hitsausnopeudesta sekä pienestä t8/5 jäähtymisajasta johtuvat mahdolliset kylmähalkeamat. Laser-TIG-hybridihitsejä verrataan robotti-MAG- ja käsin MAG-hitseihin sekä kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 hitsiluokkien mukaisiin raja-arvoihin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessissa TIG-valokaari mahdollistaa tasaisen ja lähes roiskeettoman hitsin ja lasersäde aikaansaa syvän tunkeuman sekä tasalaatuisen juurihitsin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla 6 mm paksut S355 K2 rakenneteräslevyt on mahdollista hitsata levyn yhdeltä puolelta kerralla valmiiksi. Paksummat 8 mm levyt voidaan hitsata levyn yhdeltä tai molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla hitsatut hitsit ovat hyvin siistejä ja lähes roiskeettomia. Verrattaessa laser-TIG-hybridihitsausprosessia muihin hitsausprosesseihin sen voidaan todeta olevan erittäin kilpailukykyinen 6 mm paksujen päittäisliitettyjen rakenneterästen hitsaamisessa, mutta se soveltuu myös 8 mm paksujen rakenneterästen hitsaamiseen. Tutkitut hitsit täyttävät kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 B- ja D-hitsiluokkien mukaiset raja-arvot. Vertailukokeet 6 mm paksulla S355 rakenneteräksellä osoittavat, että yhdeltä puolelta suoritettavan laser-TIG-hybridihitsauksen hitsausnopeus on robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna yli nelinkertainen ja MAG-käsinhitsaukseen verrattuna yli viisinkertainen. Laser-TIG-hybridihitsauksessa liittämistehokkuus on noin viisinkertainen robotti-MAGhitsaukseen verrattuna. Molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella voidaan 8 mm paksulla S355 rakenneteräksellä saavuttaa noin kolminkertainen hitsausnopeus ja liittämistehokkuus robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna. Laser-TIG-hybridihitsauksessa TIG-kaaren tuoman lisälämmön ansiosta suurillakin hitsausnopeuksilla (1 m/min) voidaan saavuttaa edulliset kovuusarvot. Kovuusmittausten tulosten perusteella 6 mm ja 8 mm paksujen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsit eivät ylittäneet kaarihitsausstandardin määrittelemää 350 HV kovuuden enimmäisrajaa. Laser-TIG-hybridihitsauksen edullisesta lämmöntuonnista johtuen levyjen pituus- ja poikittaissuuntaiset muodonmuutokset ovat noin 80 prosenttia pienemmät kuin käsin suoritettavassa MAG-hitsauksessa. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla käytetään I-railoa, mutta robotti-MAG- ja käsin MAG-hitsausprosesseilla joudutaan käyttämään V-railoa, jolloin lämmöntuonti ja siitä johtuvat muodonmuutokset ovat suuremmat. Korkea liittämistehokkuus ja edullinen lämmöntuonti merkitsevät vähäisempiä muodonmuutoksia ja siten merkittäviä säästöjä työ-, materiaali- ja energiakustannuksissa. 8 mm ja sitä paksummilla S355 rakenneteräksillä levyn yhdeltä puolelta suoritettava päittäisliitoksen hitsaaminen on laser-TIG hybridihitsauksella haastavaa, koska yli 200 A:n TIG-kaarivirralla suuri metallisula aiheuttaa avaimenreiän sulkeutumisen ja avaimenreiän alaosaan muodostuu kaasukuplia. Tästä voidaan tehdä sellainen johtopäätös, että päittäisliitettävien levyjen ilmarakoa pitäisi kasvattaa niin suureksi, että avaimenreiän sulavirtaus ei pääse estymään. Yli 0,25 mm:n ilmarako edellyttää lasersäteen vaaputusta tai säteen halkaisijan kasvattamista. Ilmaraon kasvattaminen edellyttää myös lisäaineen käyttöä. Tutkimustulosten perusteella laser-TIG-hybridihitsausprosessilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja ja kustannussäästöjä, joten sen hyödyntämistä kannattaa harkita 8 mm ja sitä ohuempien päittäisliitettävien tuotteiden konepaja- ja tehdastuotannossa. Laser-TIGhybridihitsausprosessi soveltuu esimerkiksi seuraavien tuotteiden hitsaamiseen: päittäisliitettävät levyt, palkit, koneenosat, putket, säiliöt ja erilaiset pyörähdyskappaleet.

Laser-MAG-hybridihitsauksen käyttöönotto laivan rungon valmistuksessa

Perinteisten kaarihitsausmenetelmien suhteellisen suuri lämmöntuonti aiheuttaa huomattavia muodonmuutoksia laivan rungon valmistusprosessin alkuvaiheessa. Muodonmuutosten seurauksena rakenteiden mitta- ja muototarkkuus heikkenee, mikä lisää oikaisu- ja sovitustyötä myöhemmissä työvaiheissa. Hitsausmuodonmuutoksia voidaan vähentää siirtymällä käyttämään laser-MAG-hybridihitsausta, jossa lämmöntuonti on merkittävästi pienempi kuin kaarihitsauksessa. Näin kyetään oleellisesti leikkaamaan oikaisu- ja sovitustyöstä syntyviä kustannuksia. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää tuotantovalmiiksi kuitulaser- ja MAG-hitsauksen yhdistelmäprosessi Aker Yards Oy:n Turun telakalla loppuvuoden 2006 aikana. Hitsauslaitteiston asennus oli valmistunut kesäkuussa 2006, minkä jälkeen aloitettiin luokituslaitoksen hyväksymän koeohjelman hitsaukset. Käyttöönotto suunnitelmaan sisältyvä koehitsausohjelma oli laadittu Det Norske Veritaksen julkaisemaa ohjetta (Guidelines no. 19) mukaillen. Ensimmäiseksi määritettiin hitsauskokeiden avulla prosessille laadun ja tehokkuuden suhteen optimaalinen railogeometria. Seuraavaksi optimoitiin prosessin hitsausparametrit 6 mm:n aineenpaksuudelle hyödyntäen Taguchi-koesuunnittelumenetelmää. Tämän jälkeen optimiparametreilla hitsattiin koekappale väsytyskokeisiin, jotka suoritettiin Teknillisen korkeakoulun laivalaboratoriossa. Väsytyskoetulokset täyttivät luokituslaitoksen vaatimukset. Myös hitsauksen menetelmäkoe suoritettiin hyväksytetysti. Viimeinen koeohjelman mukainen hitsauskoesarja tehtiin prosessiparametrien sallittujen vaihtelurajojen määrittämiseksi. Diplomityön tavoite täyttyi joulukuussa 2006, jolloin 'laivan kansipaneeli hitsattiin ensimmäistä kertaa uudella hitsausprosessilla. Hitsauksen laatu korreloi hyvin menetelmäkokeen tulosten kanssa ¿ hitsit olivat tasalaatuisia ja ne täyttivät B-luokan vaatimukset.

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.

Characterisation of Laser Beam and Paper Material Interaction

It is known already from 1970´s that laser beam is suitable for processing paper materials. In this thesis, term paper materials mean all wood-fibre based materials, like dried pulp, copy paper, newspaper, cardboard, corrugated board, tissue paper etc. Accordingly, laser processing in this thesis means all laser treatments resulting material removal, like cutting, partial cutting, marking, creasing, perforation etc. that can be used to process paper materials. Laser technology provides many advantages for processing of paper materials: non-contact method, freedom of processing geometry, reliable technology for non-stop production etc. Especially packaging industry is very promising area for laser processing applications. However, there are only few industrial laser processing applications worldwide even in beginning of 2010´s. One reason for small-scale use of lasers in paper material manufacturing is that there is a shortage of published research and scientific articles. Another problem, restraining the use of laser for processing of paper materials, is colouration of paper material i.e. the yellowish and/or greyish colour of cut edge appearing during cutting or after cutting. These are the main reasons for selecting the topic of this thesis to concern characterization of interaction of laser beam and paper materials. This study was carried out in Laboratory of Laser Processing at Lappeenranta University of Technology (Finland). Laser equipment used in this study was TRUMPF TLF 2700 carbon dioxide laser that produces a beam with wavelength of 10.6 μm with power range of 190-2500 W (laser power on work piece). Study of laser beam and paper material interaction was carried out by treating dried kraft pulp (grammage of 67 g m-2) with different laser power levels, focal plane postion settings and interaction times. Interaction between laser beam and dried kraft pulp was detected with different monitoring devices, i.e. spectrometer, pyrometer and active illumination imaging system. This way it was possible to create an input and output parameter diagram and to study the effects of input and output parameters in this thesis. When interaction phenomena are understood also process development can be carried out and even new innovations developed. Fulfilling the lack of information on interaction phenomena can assist in the way of lasers for wider use of technology in paper making and converting industry. It was concluded in this thesis that interaction of laser beam and paper material has two mechanisms that are dependent on focal plane position range. Assumed interaction mechanism B appears in range of average focal plane position of 3.4 mm and 2.4 mm and assumed interaction mechanism A in range of average focal plane position of 0.4 mm and -0.6 mm both in used experimental set up. Focal plane position 1.4 mm represents midzone of these two mechanisms. Holes during laser beam and paper material interaction are formed gradually: first small hole is formed to interaction area in the centre of laser beam cross-section and after that, as function of interaction time, hole expands, until interaction between laser beam and dried kraft pulp is ended. By the image analysis it can be seen that in beginning of laser beam and dried kraft pulp material interaction small holes off very good quality are formed. It is obvious that black colour and heat affected zone appear as function of interaction time. This reveals that there still are different interaction phases within interaction mechanisms A and B. These interaction phases appear as function of time and also as function of peak intensity of laser beam. Limit peak intensity is the value that divides interaction mechanism A and B from one-phase interaction into dual-phase interaction. So all peak intensity values under limit peak intensity belong to MAOM (interaction mechanism A one-phase mode) or to MBOM (interaction mechanism B onephase mode) and values over that belong to MADM (interaction mechanism A dual-phase mode) or to MBDM (interaction mechanism B dual-phase mode). Decomposition process of cellulose is evolution of hydrocarbons when temperature is between 380- 500°C. This means that long cellulose molecule is split into smaller volatile hydrocarbons in this temperature range. As temperature increases, decomposition process of cellulose molecule changes. In range of 700-900°C, cellulose molecule is mainly decomposed into H2 gas; this is why this range is called evolution of hydrogen. Interaction in this range starts (as in range of MAOM and MBOM), when a small good quality hole is formed. This is due to “direct evaporation” of pulp via decomposition process of evolution of hydrogen. And this can be seen can be seen in spectrometer as high intensity peak of yellow light (in range of 588-589 nm) which refers to temperature of ~1750ºC. Pyrometer does not detect this high intensity peak since it is not able to detect physical phase change from solid kraft pulp to gaseous compounds. As interaction time between laser beam and dried kraft pulp continues, hypothesis is that three auto ignition processes occurs. Auto ignition of substance is the lowest temperature in which it will spontaneously ignite in a normal atmosphere without an external source of ignition, such as a flame or spark. Three auto ignition processes appears in range of MADM and MBDM, namely: 1. temperature of auto ignition of hydrogen atom (H2) is 500ºC, 2. temperature of auto ignition of carbon monoxide molecule (CO) is 609ºC and 3. temperature of auto ignition of carbon atom (C) is 700ºC. These three auto ignition processes leads to formation of plasma plume which has strong emission of radiation in range of visible light. Formation of this plasma plume can be seen as increase of intensity in wavelength range of ~475-652 nm. Pyrometer shows maximum temperature just after this ignition. This plasma plume is assumed to scatter laser beam so that it interacts with larger area of dried kraft pulp than what is actual area of beam cross-section. This assumed scattering reduces also peak intensity. So result shows that assumably scattered light with low peak intensity is interacting with large area of hole edges and due to low peak intensity this interaction happens in low temperature. So interaction between laser beam and dried kraft pulp turns from evolution of hydrogen to evolution of hydrocarbons. This leads to black colour of hole edges.

Hitsauksen tuottavuuden parantaminen kaasuvalinnoilla

1 JOHDANTO 1.1 Työn tausta Hitsauksen kokonaiskustannukset koostuvat monesta eri tekijästä, joista yksi on suojakaasu. Vaikka suojakaasujen kustannuserä on pieni verrattuna muihin kuluihin, on oikealla kaasuvalinnalla kuitenkin suuri merkitys hitsauksen tehokkuuteen ja tuottavuuteen sekä työympäristön viihtyvyyteen ja terveellisyyteen. Hitsausprosessilla on valmistustekniikassa suuri rooli, joten sen tehokkuutta ja taloudellisuutta on syytä tutkia myös suojakaasujen näkökulmasta. 1.2 Työn tavoite ja rajaus Työn tavoitteena on tarkastella hitsauskaasujen valinnan vaikutusta hitsauksen tuottavuuteen hitsausnopeuden, tunkeuman ja hitsin laadun näkökulmista. Tarkasteltavia hitsausmenetelmiä ovat MIG/MAG-, TIG-, plasma-, laser- sekä laser-MIG/MAG -hybridihitsaus. Hitsattavia materiaaleja ovat niukkaseosteiset teräkset, runsasseosteiset teräkset sekä alumiini. Työssä tarkastellaan myös hitsauskaasuihin liittyviä työturvallisuusnäkökohtia, joita on hitsaustöissä otettava huomioon. Selkeyden vuoksi tarkastelun kohteena ovat lähes yksinomaan AGAn valmistamat suojakaasut. Työ rajataan koskemaan ainoastaan hitsausprosesseja, vaikka osalla menetelmistä voidaankin suorittaa myös termistä leikkaamista. Hitsauskaasujen tarkastelu rajoittuu ainoastaan tavallisiin teollisuuskaasuihin.