Control methods for arc welding power supplies

Welding is one of the most important process of modern industry. Welding technology is used in the manufacture and repair a wide variety of products from different metals and alloys. In this thesis the different aspects of arc welding were discussed, such as stability and control of welding arc, power supplies for arc welding (especially the welding inverters because it is the most modern welding power source). All parameters of power source have influence on the arc parameters and its by-turn influence on quality. The ways of control for arc welding inverter power sources have been considered. Calculations and modeling in Matlab/Simulink were done for PI control method. All parameters of power source have influence on the arc parameters and its by-turn influence on quality.

Welding development of crane main girder

Konecranes Corporation manufactures huge steel structures in 16 factories worldwide, in which the environment and quality varies. The company has a desire to achieve the same weld quality in each factory, regardless of the manufacturing place. The main subject of this master’s thesis was to develop the present box girder crane welding process, submerged arc welding and especially the fillet welding. Throughput time and manufacturing costs can be decreased by welding the full penetration fillet weld without a bevel, changing present groove types for more appropriate ones and by achieving the desired weld quality on the first time. Welding experiments of longitudinal fillet welding were made according to the present challenges, which the manufacturing process is facing. In longitudinal fillet welding tests the main focus was to achieve full penetration fillet weld for 6, 8 and 10 millimeters thick web plates with single and twin wire submerged arc welding. Full penetration was achieved with all the material thicknesses, both with single and twin wire submerged arc welding processes. The main problem concerning the weld was undercutting and shape of the weld bead. The question about insufficiency of presently used power sources with twin wire was risen up during testing, due to the thicknesses that require high welding current. Bigger power source is required when box girders are welded nonstop, if twin wire is used. For single wire process the penetration was achieved with significantly less amperage than with twin wire.

Narrow Gap flux-cored arc welding of high strength shipbuilding steels

This thesis is part of the Arctic Materials Technologies Development –project. The research of the thesis was done in cooperation with Arctech Helsinki Shipyard, Lappeenranta University of Technology and Kemppi Oy. Focus of the thesis was to study narrow gap flux-cored arc welding of two high strength steels with three different groove angles of 20°, 10° and 5°. Welding of the 25 mm thick E500 TMCP and 10 mm thick EH36 steels was mechanized and Kemppi WisePenetration and WiseFusion processes were tested with E500 TMCP steel. EH36 steel test pieces were welded without Wise processes. Shielding gases chosen were carbon dioxide and a mixture of argon and carbon dioxide. Welds were tested with non-destructive and destructive testing methods. Radiographic, visual, magnetic particle and liquid penetrant testing proved that welds were free from imperfections. After non-destructive testing, welds were tested with various destructive testing methods. Impact strength, bending, tensile strength and hardess tests proved that mechanized welding and Wise processes produced quality welds with narrower gap. More inconsistent results were achieved with test pieces welded without Wise processes. Impact test results of E500 TMCP exceeded the 50 J limit on weld, set by Russian Maritime Register of Shipping. EH36 impact test results were much closer to the limiting values of 34 J on weld and 47 on HAZ. Hardness values of all test specimens were below the limiting values. Bend testing and tensile testing results fulfilled the the Register requirements. No cracking or failing occurred on bend test specimens and tensile test results exceeded the Register limits of 610 MPa for E500 TMCP and 490 MPa for EH36.

Hitsauksen mekanisointi laivan runkorakenteiden valmistuksessa

Hitsauksen mekanisoinnilla ja erityisesti kevytmekanisoinnilla saavutetaan melko pienin kustannuksin suuria etuja tuottavuudessa, laadussa ja työergonomiassa. Mekanisoinnin avulla voidaan saavuttaa soveltuvissa kohteissa hitsauksen kaariaikasuhteen kaksinkertaistuminen esim. 10 %:sta 20 %:iin. Tämä voi tarkoittaa kohteen kokonaishitsaustyöajan puolittumista. Mekanisoinnin tehokas hyödyntäminen edellyttää kuitenkin, että laitteet ovat helppokäyttöisiä ja haluttuja hitsauksen apuvälineitä. Genesis-projekti, jonka on määrä valmistua syksyllä 2009, tuo uuden haasteen Aker Yardsin Turun telakalle. Aluksen aikaisempia laivoja suurempi koko aiheuttaa haasteita tilankäytölle ja kapasiteetin riittävyydelle. Lisäksi käytettävät rakenteet aiheuttavat tuotantoon erityisiä ongelmia, joihin tämän diplomityön puitteissa on etsitty soveltuvia mekanisointiratkaisuja. Diplomityössä mekanisointilaitehankinnoilla lisättiin telakan laitekantaa ja korvattiin vanhentuneita laitteita. Laitteiden käyttöönotossa tarkasteltiin laitteiden puutteita ja pyrittiin löytämään käytettävyyttä parantavia ratkaisuja. Tässä työssä esitellyillä parannuksilla käytössä oleviin laitteisiin ja työmenetelmiin hitsauksen mekanisoinnin käyttöä voitaisiin lisätä vielä merkittävästi.

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.

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.

Puristussylinterien valmistuksen kehittäminen

Tässä diplomityössä kehitettiin yksitoimisten puristussylinterien valmistusta Rautessa. Sylinterien valmistuksessa haastavin vaihe on sylinteriputken ja pohjan välinen hitsaus. Hitsauksen avuksi suunniteltiin sylinterin sisäpuolinen juuritukilaite. Hitsauskokeita suoritettiin hitsin pohjan jauhekaarihitsaukselle ja MAG-hitsaukselle. Juuritukilaitteen toimivuutta testattiin koehitsauksilla. Puristussylinterien materiaali on S355J2-terästä, jonka ainevahvuus on 20 – 60 mm. Paksujen rakenneterästen hitsauksessa täytyy ottaa huomioon hitsausliitoksen mekaanisten ominaisuuksien muuttuminen sekä eri halkeamien synty. Hitsauksen laatuun ja laadunhallintaan voidaan vaikuttaa monien eri tekijöiden avulla. Hitsausohjeen avulla, ja muut laatutekijät huomioiden, voidaan hitseille asetetut laatukriteerit täyttää. Juurituen käyttö nopeuttaa puristussylinterien hitsausta vähintään 50 %. Jauhekaarihitsaus kuparista juuritukea vasten synnyttää vaikeasti poistettavan kuonan juuren puolelle. Perinteinen MAG-hitsaus kuparista juuritukea vasten sisältää liian monta muuttujaa, mikä tekee siitä epäluotettavan pohjapalon hitsaukseen. Työssä suunnitellun juuritukilaitteen käyttö tuotannossa vaatii lisää hitsauskokeita.

Hitsaustuotannon kehittäminen tuulivoimalan tornin valmistuksessa

Tuulivoima on Euroopassa nopeimmin kasvava energian tuotantomuoto. Tuulivoimateollisuuden arvioidaan kasvavan Suomessa huomattavasti lähivuosien aikana ennakoidun syöttötariffipäätöksen myötä, jolloin kilpailu alalla tulee kasvamaan. Tavoitteena oli kehittää tuulivoimalan tornin valmistusta Levator Oy:ssä hitsaustuotantoa tehostamalla ja tuotannon ohjattavuutta parantamalla. Kehitystyöhön kuului toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelu ja ohjeiston laatiminen työnjohdolle. Toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelun tarkoituksena oli suunnitella muutokset nykyiseen tuotantoon uuden linjan käyttöönoton mahdollistamiseksi. Suunnittelu aloitettiin valitsemalla hitsausprosessit, jonka jälkeen suunniteltiin laitetarpeet työvaihe-analyysien pohjalta. Tuotantolayout muutettiin nykyisestä funktionaalisesta tuotannosta tuotantosoluista koostuvaksi tuotantolinjaksi, jolloin materiaalien virtautus parani huomattavasti. Tuotannon ohjaustavaksi valittiin kapeikko-ohjaus. Ohjeiston laatimisen tarkoituksena oli kerätä ja dokumentoida kaikki tuotannossa tarvittava tieto. Ohjeiston sisältää laadunohjaus, materiaalivirtojen ohjaus ja työnohjaus osiot, joiden tarkoituksena on helpottaa työnjohtamista. Ohjeisto määrittelee yhtenäiset tuotannon toimintatavat, jolloin tuotannon ohjattavuus helpottuu. Tavoitteet täyttyivät, kun toisen tuotantolinjan käyttöönoton vaatimat muutokset aloitettiin suunnitelmien mukaisesti syyskuussa 2009. Ohjeiston sisältö saatiin määriteltyä ja eri osioiden pilotit saatiin valmiiksi joulukuun aikana. Tuotannon ohjattavuus kehittyi huomattavasti ja samalla tuottavuus parani merkittävästi.

Lean Duplex -terästen hitsaus

Viime vuosien aikana tapahtunut nikkelin hinnan nouseminen on vaikuttanut austeniittis-ferriittisten ruostumattomien terästen, ns. duplex -terästen kehittämiseen. Niukkaseosteisemmissa lean duplex -teräksissä seostetun nikkelin määrää on vähennetty ja sitä on korvattu typellä ja mangaanilla. Nämä muutokset ko. terästen seostuksessa aiheuttavat haasteita hitsaukselle, erityisesti austeniitti-ferriitti -suhteen säilyttämisessä, sekä sitä kautta iskusitkeyden ja korroosio-ominaisuuksien säilyttämiselle. Suurempi typen osuus myös lisää teräksen hitsisulan viskositeettia, mikä heikentää juuripalkojen hitsauksessa tunkeumaa. Tässsä diplomityössä on tutkittu keinoja helpottaa paksujen (yli 20 mm) lean duplex -teräslevyjen hitsausta käytännön näkökulmasta, sekä parantaa hitsattujen levyjen iskusitkeyttä. Hitsauskokeilla löydettiin hitsausta helpottavia menetelmiä ja kokeista saatiin karsimalla valikoitua hitsausarvot, joilla pystytään hitsaamaan painelaitedirektiivin mukaisesti hyväksyttäviä hitsejä lean duplex -laatuihin LDX2101 ja UR2202.

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.

Weld joint characteristics by nano-materials addition

The need for industries to remain competitive in the welding business, has created necessity to develop innovative processes that can exceed customer’s demand. Significant development in improving weld efficiency, during the past decades, still have their drawbacks, specifically in the weld strength properties. The recent innovative technologies have created smallest possible solid material known as nanomaterial and their introduction in welding production has improved the weld strength properties and to overcome unstable microstructures in the weld. This study utilizes a qualitative research method, to elaborate the methods of introducing nanomaterial to the weldments and the characteristic of the welds produced by different welding processes. The study mainly focuses on changes in the microstructural formation and strength properties on the welded joint and also discusses those factors influencing such improvements, due to the addition of nanomaterials. The effect of nanomaterial addition in welding process modifies the physics of joining region, thereby, resulting in significant improvement in the strength properties, with stable microstructure in the weld. The addition of nanomaterials in the welding processes are, through coating on base metal, addition in filler metal and utilizing nanostructured base metal. However, due to its insignificant size, the addition of nanomaterials directly to the weld, would poses complications. The factors having major influence on the joint integrity are dispersion of nanomaterials, characteristics of the nanomaterials, quantity of nanomaterials and selection of nanomaterials. The addition of nanomaterials does not affect the fundamental properties and characteristics of base metals and the filler metal. However, in some cases, the addition of nanomaterials lead to the deterioration of the joint properties by unstable microstructural formations. Still research are ongoing to achieve high joint integrity, in various materials through different welding processes and also on other factors that influence the joint strength.

The effects of real time control of welding parameters on weld quality in plasma arc keyhole welding

Joints intended for welding frequently show variations in geometry and position, for which it is unfortunately not possible to apply a single set of operating parameters to ensure constant quality. The cause of this difficulty lies in a number of factors, including inaccurate joint preparation and joint fit up, tack welds, as well as thermal distortion of the workpiece. In plasma arc keyhole welding of butt joints, deviations in the gap width may cause weld defects such as an incomplete weld bead, excessive penetration and burn through. Manual adjustment of welding parameters to compensate for variations in the gap width is very difficult, and unsatisfactory weld quality is often obtained. In this study a control system for plasma arc keyhole welding has been developed and used to study the effects of the real time control of welding parameters on gap tolerance during welding of austenitic stainless steel AISI 304L. The welding tests demonstrated the beneficial effect of real time control on weld quality. Compared with welding using constant parameters, the maximum tolerable gap width with an acceptable weld quality was 47% higher when using the real time controlled parameters for a plate thickness of 5 mm. In addition, burn through occurred with significantly larger gap widths when parameters were controlled in real time. Increased gap tolerance enables joints to be prepared and fit up less accurately, saving time and preparation costs for welding. In addition to the control system, a novel technique for back face monitoring is described in this study. The test results showed that the technique could be successfully applied for penetration monitoring when welding non magnetic materials. The results also imply that it is possible to measure the dimensions of the plasma efflux or weld root, and use this information in a feedback control system and, thus, maintain the required weld quality.

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.

Advanced orbital pipe welding

Since the introduction of automatic orbital welding in pipeline application in 1961, significant improvements have been obtained in orbital pipe welding systems. Requirement of more productive welding systems for pipeline application forces manufacturers to innovate new advanced systems and welding processes for orbital welding method. Various methods have been used to make welding process adaptive, such as visual sensing, passive visual sensing, real-time intelligent control, scan welding technique, multi laser vision sensor, thermal scanning, adaptive image processing, neural network model, machine vision, and optical sensing. Numerous studies are reviewed and discussed in this Master’s thesis and based on a wide range of experiments which already have been accomplished by different researches the vision sensor are reported to be the best choice for adaptive orbital pipe welding system. Also, in this study the most welding processes as well as the most pipe variations welded by orbital welding systems mainly for oil and gas pipeline applications are explained. The welding results show that Gas Metal Arc Welding (GMAW) and its variants like Surface Tension Transfer (STT) and modified short circuit are the most preferred processes in the welding of root pass and can be replaced to the Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) in many applications. Furthermore, dual-tandem gas metal arc welding technique is currently considered the most efficient method in the welding of fill pass. Orbital GTAW process mostly is applied for applications ranging from single run welding of thin walled stainless tubes to multi run welding of thick walled pipes. Flux cored arc welding process is faster process with higher deposition rate and recently this process is getting more popular in pipe welding applications. Also, combination of gas metal arc welding and Nd:YAG laser has shown acceptable results in girth welding of land pipelines for oil and gas industry. This Master’s thesis can be implemented as a guideline in welding of pipes and tubes to achieve higher quality and efficiency. Also, this research can be used as a base material for future investigations to supplement present finding.