Kapearailotekniikan käyttö jauhekaarihitsauksessa

Diplomityössä tavoitteena oli tutkia kapearailojauhekaaritekniikan soveltuvuutta konepajakäyttöön ja sen vaikutusta hitsauksen tuottavuuteen sekä hitsin mekaanisiin ominaisuuksiin. Työ tehtiin vertailukokeilla, jossa koehitsaukset suoritettiin eri aineenpaksuuksille siten, että jokaiselle tutkimuksen kohteena olleelle materiaalille tehtiin yksi hitsaus käytössä olevalla jauhekaaritekniikalla, jolloin saatiin vertailukohde, johon uutta kapearailotekniikkaa verrattiin. Tulokset osoittivat, että kapearailotekniikalla 1 palko/palkokerros aineenpaksuudeltaan Pl. 60 mm koekappale saatiin hitsattua n. 39 % nopeammin verrattuna perinteiseen tandem -hitsaukseen. Kyseisellä aineenpaksuudella lisäainelangan kulutus oli n. 41 % ja jauheen kulutus n. 71 % pienempi verrattuna perinteiseen X- railohitsaukseen tandem -menetelmällä. Lisäksi tuli esille, että ”palkoa palonpäälle” -tekniikka on kapearailotekniikoista tehokkain, sillä 2 palkoa/palkokerros menetelmässä railon leveyttä jouduttiin leventämään, jolloin kapearailotekniikan pieni railotilavuus menetettiin. Lisäaineen kulutus tälläkin menetelmällä jäi pienemmäksi verrattuna X- railohitsaukseen. Ennalta pelättyä kuonan irtoamisongelmaa ei kapearailohitsauksessa havaittu, vaan kuona irtosi ongelmitta railon kyljistä. Lisäksi kapearailotekniikalla hitsattujen hitsien lujuudet olivat vertailukelpoiset tandem- ja yksilankamenetelmällä hitsattujen hitsien kanssa.

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.

Applications and Benefits of Adaptive Pulsed GMAW

In ship and offshore terminal construction, welded cross sections are thick and the number of welds very high. Consequently, there are two aspects of great importance; cost and heat input. Reduction in the welding operation time decreases the costs of the work force and avoids excessive heat, preventing distortion and other weld defects. The need to increase productivity while using a single wire in the GMAW process has led to the use of a high current and voltage to improve the melting rate. Unfortunately, this also increases the heat input. Innovative GMAW processes, mostly implemented for sheet plate sections, have shown significant reduction in heat input (Q), low distortion and increase in welding speed. The aim of this study is to investigate adaptive pulsed GMAW processes and assess relevant applications in the high power range, considering possible benefits when welding thicker sections and high yield strength steel. The study experimentally tests the usability of adaptive welding processes and evaluates their effects on weld properties, penetration and shapes of the weld bead.The study first briefly reviews adaptive GMAW to evaluate different approaches and their applications and to identify benefits in adaptive pulsed. Experiments are then performed using Synergic Pulsed GMAW, WiseFusionTM and Synergic GMAW processes to weld a T-joint in a horizontal position (PB). The air gap between the parts ranges from 0 to 2.5 mm. The base materials are structural steel grade S355MC and filler material G3Si1. The experiment investigates heat input, mechanical properties and microstructure of the welded joint. Analysis of the literature reveals that different approaches have been suggested using advanced digital power sources with accurate waveform, current, voltage, and feedback control. In addition, studies have clearly indicated the efficiency of lower energy welding processes. Interest in the high power range is growing and a number of different approaches have been suggested. The welding experiments in this study reveal a significant reduction of heat input and a weld microstructure with the presence of acicular ferrite (AF) beneficial for resistance to crack propagation. The WiseFusion bead had higher dilution, due to the weld bead shape, and low defects. Adaptive pulse GMAW processes can be a favoured choice when welding structures with many welded joints. The total heat reduction mitigates residual stresses and the bead shape allows a higher amperage limit. The stability of the arc during the process is virtually spatter free and allows an increase in welding speed.

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-TIG hybrid welding process

Joining processes and techniques need to meet the trend of new applications and the development of new materials. The application in connection with thick and thin plates in industrial fields is wide and the joining technology is in very urgent need. The laser-TIG hybrid welding technology can play the respective advantages of both of them. One major advantage of the hybrid laser-TIG welding technology is its efficient use of laser energy. Additionally, it can develop into a high and new advanced welding technology and become a hot spot in both the application and research area. This thesis investigated laser –TIG hybrid welding with the aim of enlightening the reader on its advantages, disadvantages and future areas of improvement. The main objective is to investigate laser-TIG hybrid on the welding of various metals (steels, magnesium, aluminium etc.). In addition, it elaborates on various possible combinations on hybrid laser-TIG welding technology and their benefits. The possibility of using laser-TIG hybrid in welding of thick materials was investigated. The method applied in carrying out this research is by using literature review. The results showed that hybrid laser-TIG is applicable to almost all weldable metals. Also it proves to be effective in welding refractive metals. The possibility of welding with or without filler materials is of economic advantage especially in welding of materials with no filler material. Thick plate’s hybrid laser-TIG welding is showing great prospects although it normally finds its used in welding thin materials in the range of 0.4 to 0.8 mm. The findings show that laser-TIG hybrid welding can be a versatile welding process and therefore will be increasingly used industrially due to its numerous advantages and the development of new TIG arc that enhances its capabilities.

Modeling of residual stresses and distortion due to welding in fillet welds

Welding has a growing role in modern world manufacturing. Welding joints are extensively used from pipes to aerospace industries. Prediction of welding residual stresses and distortions is necessary for accurate evaluation of fillet welds in relation to design and safety conditions. Residual stresses may be beneficial or detrimental, depending whether they are tensile or compressive and the loading. They directly affect the fatigue life of the weld by impacting crack growth rate. Beside theoretical background of residual stresses this study calculates residual stresses and deformations due to localized heating by welding process and subsequent rapid cooling in fillet welds. Validated methods are required for this purpose due to complexity of process, localized heating, temperature dependence of material properties and heat source. In this research both empirical and simulation methods were used for the analysis of welded joints. Finite element simulation has become a popular tool of prediction of welding residual stresses and distortion. Three different cases with and without preload have been modeled during this study. Thermal heat load set is used by calculating heat flux from the given heat input energy. First the linear and then nonlinear material behavior model is modeled for calculation of residual stresses. Experimental work is done to calculate the stresses empirically. The results from both the methods are compared to check their reliability. Residual stresses can have a significant effect on fatigue performance of the welded joints made of high strength steel. Both initial residual stress state and subsequent residual stress relaxation need to be considered for accurate description of fatigue behavior. Tensile residual stresses are detrimental and will reduce the fatigue life and compressive residual stresses will increase it. The residual stresses follow the yield strength of base or filler material and the components made of high strength steel are typically thin, where the role of distortion is emphasizing.

Parameter optimization of AC rectangular wave outputs for aluminum cold wire GTAW

The objective of this work was to optimize the parameter setup for GTAW of aluminum using an AC rectangular wave output and continuous feeding. A series of welds was carried-out in an industrial joint, with variation of the negative and positive current amplitude, the negative and positive duration time, the travel speed and the feeding speed. Another series was carried out to investigate the isolate effect of the negative duration time and travel speed. Bead geometry aspects were assessed, such as reinforcement, penetration, incomplete fusion and joint wall bridging. The results showed that currents at both polarities are remarkably more significant than the respective duration times. It was also shown that there is a straight relationship between welding speed and feeding speed and this relationship must be followed for obtaining sound beads. A very short positive duration time is enough for arc stability achievement and when the negative duration time is longer than 5 ms its effect on geometry appears. The possibility of optimizing the parameter selection, despite the high inter-correlation amongst them, was demonstrate through a computer program. An approach to reduce the number of variables in this process is also presented.

Welding current effect on diffusible hydrogen content in flux cored arc weld metal

The application of flux cored arc welding (FCAW) has increased in manufacturing and fabrication. Even though FCAW is well known for its good capability in producing quality welds, few reports have been published on the cause of the relatively high diffusible hydrogen content in the weld metal and its relation with the ingredients used in the wire production and with the welding parameters (mainly welding current). This paper describes experiments where data obtained from weld metal diffusible hydrogen analysis, metal droplet collection, and high-speed recording of metal droplet transfer were used to evaluate the effect of welding current on diffusible hydrogen content in the weld metal. The results from gas chromatography analysis showed that weld metal hydrogen content indeed increased with welding current. A polynomial regressional analysis concluded that hydrogen increase with current was better described by a linear function with proportional constant of approximately 0.7 or 70%. Different from the GMA welding transfer behavior, statistical analysis showed only a small increase in metal droplet size with increasing current. The metal transfer mode remained in the globular range for currents between 100 and 150 A. The most surprising findings were with the high-speed cinematography recording. Observing the high speed movies, it was possible to see that at low current, "unmelted" flux sporadically touched the weld pool but at higher current, the flux remained touching the weld pool during the whole time of droplet formation and transfer. It is believed that since the flux has ingredients that contain hydrogen, hydrogen passes through the arc undisturbed, going to the weld bead intact and increasing the hydrogen content in the weld metal. Another important observation is regarding to droplet size. Droplet size increased with increasing current because forces from decomposed gases from the flux could sustain the droplets, retarding their transfer and allowing them to grow.

Modifioidulla prosessilla varustetun MAG-pulssihitsauksen ja MAG-lyhytkaarihitsauksen vertailu

Tässä kandidaatintyössä keskitytään vertaamaan WiseFusion-toiminnolla varustettua MAG-pulssihitsausta MAG-yhytkaarihitsaukseen. Hitsattavana sovelluksena on pystypienahitsaus suuntana alhaalta ylöspäin (PF) käyttäen yhtä palkoa. Kummallakin prosessilla hitsataan yksi kappale 4 mm ja yksi 6 mm nimellisellä a-mitalla ilman hitsausprosessin mekanisointia. Tämän jälkeen verrataan näiden kahden prosessin tuottavuutta, lämmöntuontia ja hitsausnopeutta. Lisäksi tutkitaan hitsin laatua silmämääräisellä tarkastamisella. Tunkeumaa tarkastellaan makrohieiden ja murtokokeen avulla.

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.

Adaptiivisen hitsausvalokaaren hyödyntäminen MAG-kuumakaarihitsauksessa

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan MIG/MAG-hitsauksessa käytettävien ohjelmistoratkaisujen kuumakaarihitsaukseen tuomia etuja perinteisiin menetelmiin verrattuna. Pääpaino on hitsausnopeuden, tunkeuman ja laadun tarkastelussa. Hitsauskokeissa käytettävät menetelmät ovat perinteinen 1-MIG-kuumakaarihitsaus ja 1-MIG-kuumakaarihitsaus Kemppi WiseFusion toiminnolla.

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.

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.

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.