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.

Determinação da qualidade da radiografia digital aplicada às soldas de gasodutos e oleodutos terrestres e marítimos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Avaliação de juntas soldadas em tubos de aço carbono submetidos a altas temperatura e pressões

The welding process in industrial piping is still the most effective way to ensure the durability and quality of the wide range of industrial process, although because of the high demand for energy and quality of the produced products, the piping has been constantly tested for high pressure applications and still high temperature. The welding method analyzed is the TIG (Tungsten Inert Gas) welding or GTAW (Gas-Shielded Tungsten Arc Welding), which ones have as principal feature the utilization of a not consumable tungsten electrode in the torch extremity , in this process is necessary a protective atmosphere of inert gas. The welding TIG advantage is the obtaining of a welded seam clean and with quality for not has slag after the welding. This work has as objective show the variability in the carbon steel piping welding parameters and by the tests in four proof bodies will be shown the influence of the variation of the welding methods in a welded seam. The tests will vary since the piece to be welded preparation, till penetrating liquid tests, welding macrography, welding x-ray and traction tests. Even been a clean and with quality welding is necessary a final inspection in the seam welded looking for defects almost inevitable resulted of the welded process, the obtained results have the objective of indicate and minimize the defects to ensure quality and durability of the welded seam

Pulsed Nd:YAG laser seam welding of AISI 316L stainless steel thin foils

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Microstructure and mechanical properties of laser-welded joints of TWIP and TRIP steels

With the aim of investigating a laser-welded dissimilar joint of TWIP and TRIP steel sheets, the microstructure was characterized by means of OM, SEM, and EBSD to differentiate the fusion zone, heat-affected zone, and the base material. OIM was used to differentiate between ferritic, bainitic, and martensitic structures. Compositions were measured by means of optical emission spectrometry and EDX to evaluate the effect of manganese segregation. Microhardness measurements and tensile tests were performed to evaluate the mechanical properties of the joint. Residual stresses and XRD phase quantification were used to characterize the weld. Grain coarsening and martensitic areas were found in the fusion zone, and they had significant effects on the mechanical properties of the weld. The heat-affected zone of the TRIP steel and the corresponding base material showed considerable differences in the microstructure and properties. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fatigue behaviour of friction stir welded AA2024-T3 alloy: longitudinal and transverse crack growth

The fatigue crack growth properties of friction stir welded joints of 2024-T3 aluminium alloy have been studied under constant load amplitude (increasing-Delta K), with special emphasis on the residual stress (inverse weight function) effects on longitudinal and transverse crack growth rate predictions (Glinka`s method). In general, welded joints were more resistant to longitudinally growing fatigue cracks than the parent material at threshold Delta K values, when beneficial thermal residual stresses decelerated crack growth rate, while the opposite behaviour was observed next to K-C instability, basically due to monotonic fracture modes intercepting fatigue crack growth in weld microstructures. As a result, fatigue crack growth rate (FCGR) predictions were conservative at lower propagation rates and non-conservative for faster cracks. Regarding transverse cracks, intense compressive residual stresses rendered welded plates more fatigue resistant than neat parent plate. However, once the crack tip entered the more brittle weld region substantial acceleration of FCGR occurred due to operative monotonic tensile modes of fracture, leading to non-conservative crack growth rate predictions next to K-C instability. At threshold Delta K values non-conservative predictions values resulted from residual stress relaxation. Improvements on predicted FCGR values were strongly dependent on how the progressive plastic relaxation of the residual stress field was considered.

ASTM A923-Practice A application to identify intermetallic phases in a UNS S32750 superduplex welded joint

Duplex and superduplex stainless steels present superior mechanical and corrosion properties when compared to usual stainless steels. This superiority is based on chemical composition when in a balanced microstructure (approximately 50% of ferrite). During welding, changes may occur in both, the chemical composition and volume fraction of phases in the material, which may generate the presence of intermetallic phases and, as a consequence, modify the mechanical and corrosion properties of this group of stainless steels. The objective of this work is to apply ASTM A923- Practice A to verify the presence of intermetallic phases in welded joints of UNS 32750 su-perduplex stainless steel. Tubes of UNS 32750, with external diameters of 18 and 44 mm and a thickness of 1.5 mm, were welded using orbital GTAW, with filler metal 25Cr-10Ni-4Mo and a diameter of 0.8 mm. The metal-based and welded joints were characterized by optical and scanning electron microscopy. The results showed that there was no precipitation of the intermetallic phase, such as sigma phase, detected by ASTM A923, but the HAZ of the two tubes studied presented small regions with chromium nitrides, which can also change the properties of welded joins.

Relations between coal petrology and gas content in the Upper Newlands Seam, central Queensland, Australia

The Upper Newlands Seam in the northern Bowen Basin, Queensland, Australia consists of six benches (A-F) that have different petrographic assemblages. Benches C and E contain relatively abundant inertodetrinite and mineral matter, as well as anomalously high reflectance values; these characteristics support a largely allochthonous, detrital origin for the C and E benches. Fractures and cleats in the seam show a consistent orientation of northeast- southwest for face cleats, and a wide range of orientations for fractures. Cleat systems are well developed in bright bands, with poor continuity in the dull coal. Both maceral content and cleat character are suggested to influence gas drainage in the Upper Newlands Seam. A pronounced positive correlation between vitrinite abundance and gas desorption data suggests more efficient drainage from benches with abundant vitrinite. Conversely, inertinite-rich benches are suggested to have less efficient drainage, and possibly retain gas within pore spaces, which could increase the outburst potential of the coal. (C) 2001 Elsevier Science BN. All rights reserved.

Optimization study of hybrid spot-welded/bonded single-lap joints

Joining of components with structural adhesives is currently one of the most widespread techniques for advanced structures (e.g., aerospace or aeronautical). Adhesive bonding does not involve drilling operations and it distributes the load over a larger area than mechanical joints. However, peak stresses tend to develop near the overlap edges because of differential straining of the adherends and load asymmetry. As a result, premature failures can be expected, especially for brittle adhesives. Moreover, bonded joints are very sensitive to the surface treatment of the material, service temperature, humidity and ageing. To surpass these limitations, the combination of adhesive bonding with spot-welding is a choice to be considered, adding a few advantages like superior static strength and stiffness, higher peeling and fatigue strength and easier fabrication, as fixtures during the adhesive curing are not needed. The experimental and numerical study presented here evaluates hybrid spot-welded/bonded single-lap joints in comparison with the purely spot-welded and bonded equivalents. A parametric study on the overlap length (LO) allowed achieving different strength advantages, up to 58% compared to spot-welded joints and 24% over bonded joints. The Finite Element Method (FEM) and Cohesive Zone Models (CZM) for damage growth were also tested in Abaqus® to evaluate this technique for strength prediction, showing accurate estimations for all kinds of joints.

Correlation between the mechanical cycling behavior and microstructure in laser welded joints using NiTi memory shape alloys

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais

The curvature of the conical intersection seam: an approximate second-order analysis

We present a method for analyzing the curvature (second derivatives) of the conical intersection hyperline at an optimized critical point. Our method uses the projected Hessians of the degenerate states after elimination of the two branching space coordinates, and is equivalent to a frequency calculation on a single Born-Oppenheimer potential-energy surface. Based on the projected Hessians, we develop an equation for the energy as a function of a set of curvilinear coordinates where the degeneracy is preserved to second order (i.e., the conical intersection hyperline). The curvature of the potential-energy surface in these coordinates is the curvature of the conical intersection hyperline itself, and thus determines whether one has a minimum or saddle point on the hyperline. The equation used to classify optimized conical intersection points depends in a simple way on the first- and second-order degeneracy splittings calculated at these points. As an example, for fulvene, we show that the two optimized conical intersection points of C2v symmetry are saddle points on the intersection hyperline. Accordingly, there are further intersection points of lower energy, and one of C2 symmetry - presented here for the first time - is found to be the global minimum in the intersection space

Fatigue Analysis of Welded Cruciform Joints with Cold Laps

Työssä on tutkittu vetojännityskuormituksen alaisena olevien hitsattujen kuormaa kantamattomien X-liitosten hitsin paikallisen geometrian variaation vaikutusta väsymislujuuteen. Muuttujina olivat reunan pyöristyssäde, kylmäjuoksun suuruus ja kylkikulma. Geometristen muuttujien parametrinen riippuvuussuhde on analysoitu usealla elementtimallilla. Väsymistarkastelu on suoritettu käyttämällä lineaaris-elastista murtumismekaniikkaa (LEFM) tasovenymätilassa ja materiaalina terästä. Särönkasvun suunnan ennustamisessaon käytetty maksimipääjännityskriteeriä sekä jännitysintensiteettikertoimet on määritetty J-integraalilla. Särön ydintymisvaihetta ei ole otettu huomioon. Rakenteen on oletettu olevan hitsatussa tilassa ja jännitysheilahdus on kokonaan tehollinen. Särön kasvunopeuden ennustamiseen on käytetty Paris'n lakia. Väsymislujuustulokset on esitetty karakteristisina väsymisluokkina (FAT) ja sovitettu parametriseksi yhtälöksi. Lopuksi väsymisanalyysin ennustamia tuloksia on verrattu saatavilla oleviin väsytystestituloksiin.

Robotisoidun hitsaussolun toiminnan kehittäminen ohutlevytuotteita valmistavassa yrityksessä

Robotisoitu hitsaus tarjoaa mahdollisuuden tasaiseen laatuun ja miehittämättömään tuotantoon. Se ei ole kuitenkaan yhtä joustava menetelmä kuin käsinhitsaus ja siihen liittyy yleensä paljon asetus- ja ohjelmointikustannuksia. Tässä diplomityössä selvitetään, mitkä ovat robotisoidun ohutlevyjen hitsauksen erityispiirteet ja mitä seikkoja tulee huomioida robotisoidun hitsaussolun kehittämisessä. Ohutlevytuotteiden tulee soveltua robotisoituun hitsaukseen. Ne ovat ohuita ja taipuisia kappaleita, joten liitosten tarkka kohdistaminen voi olla vaikeaa. Tämä edellyttää suunnittelulta menetelmän erityispiirteiden ymmärtämistä ja valmistukselta erinomaista laaduntuottokykyä. Materiaaleina ohutlevyt ovat pääosin hyvin hitsattavia kaikilla tavanomaisilla menetelmillä.Haitallisten muodonmuutosten välttämiseksi kannattaa suosia hitsausprosesseja, joilla on mahdollisimman pieni lämmöntuonti. Saavutettu hitsausnopeus riippuu prosessin lisäksi myös liitosten kokoonpanon tarkkuudesta. Työnkokeellisessa osassa selvitetään erään robottihitsaussolun kehitystyötä. Tavoitteena oli nostaa solun nopeus ja kapasiteetti vastaamaan yrityksen muun tuotannon tasoa. Solua varten kehitettiin erityinen automaattisesti toimiva hitsauskiinnitin, jonka toimintaperiaate esitellään. Kiinnitin kohdistaaohutlevystä valmistetun kotelon pohjan sivut riittävän tarkasti, jotta ne voidaan hitsata robotilla.

Multivariable regression analysis and hot-spot stress approach into fatigue life estimations of welded joints

Kolmen eri hitsausliitoksen väsymisikä arvio on analysoitu monimuuttuja regressio analyysin avulla. Regression perustana on laaja S-N tietokanta joka on kerätty kirjallisuudesta. Tarkastellut liitokset ovat tasalevy liitos, krusiformi liitos ja pitkittäisripa levyssä. Muuttujina ovat jännitysvaihtelu, kuormitetun levyn paksuus ja kuormitus tapa. Paksuus effekti on käsitelty uudelleen kaikkia kolmea liitosta ajatellen. Uudelleen käsittelyn avulla on varmistettu paksuus effektin olemassa olo ennen monimuuttuja regressioon siirtymistä. Lineaariset väsymisikä yhtalöt on ajettu kolmelle hitsausliitokselle ottaen huomioon kuormitetun levyn paksuus sekä kuormitus tapa. Väsymisikä yhtalöitä on verrattu ja keskusteltu testitulosten valossa, jotka on kerätty kirjallisuudesta. Neljä tutkimustaon tehty kerättyjen väsymistestien joukosta ja erilaisia väsymisikä arvio metodeja on käytetty väsymisiän arviointiin. Tuloksia on tarkasteltu ja niistä keskusteltu oikeiden testien valossa. Tutkimuksissa on katsottu 2mm ja 6mm symmetristäpitkittäisripaa levyssä, 12.7mm epäsymmetristä pitkittäisripaa, 38mm symmetristä pitkittäisripaa vääntökuormituksessa ja 25mm/38mm kuorman kantavaa krusiformi liitosta vääntökuormituksessa. Mallinnus on tehty niin lähelle testi liitosta kuin mahdollista. Väsymisikä arviointi metodit sisältävät hot-spot metodin jossa hot-spot jännitys on laskettu kahta lineaarista ja epälineaarista ekstrapolointiakäyttäen sekä paksuuden läpi integrointia käyttäen. Lovijännitys ja murtumismekaniikka metodeja on käytetty krusiformi liitosta laskiessa.

An Assessment ofFatigue Strength of Load Carrying Welded Joints with Lack of Penetration

On yleisesti tiedossa, että väsyttävän kuormituksen alaisena olevat hitsatut rakenteet rikkoutuvat juuri hitsausliitoksista. Täyden tunkeuman hitsausliitoksia sisältävien rakenteiden asiantunteva suunnittelu janykyaikaiset valmistusmenetelmät ovat lähes eliminoineet väsymisvauriot hitsatuissa rakenteissa. Väsymislujuuden parantaminen tiukalla täyden tunkeuman vaatimuksella on kuitenkin epätaloudellinen ratkaisu. Täyden tunkeuman hitsausliitoksille asetettavien laatuvaatimuksien on määriteltävä selkeät tarkastusohjeet ja hylkäämisperusteet. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia geometristen muuttujien vaikutusta kuormaa kantavien hitsausliitosten väsymislujuuteen. Huomio kiinnitettiin pääasiassa suunnittelumuuttujiin, joilla on vaikutusta väsymisvaurioiden syntymiseen hitsauksen juuren puolella. Nykyiset määräykset ja standardit, jotka perustuvat kokeellisiin tuloksiin; antavat melko yleisiä ohjeita hitsausliitosten väsymismitoituksesta. Tämän vuoksi muodostettiin kokonaan uudet parametriset yhtälöt sallitun nimellisen jännityksen kynnysarvon vaihteluvälin, ¿¿th, laskemiseksi, jotta vältettäisiin hitsausliitosten juuren puoleiset väsymisvauriot. Lisäksi, jokaiselle liitostyypille laskettiin hitsin juuren puolen väsymisluokat (FAT), joita verrattiin olemassa olevilla mitoitusohjeilla saavutettuihin tuloksiin. Täydentäviksi referensseiksi suoritettiin useita kolmiulotteisia (3D) analyysejä. Julkaistuja kokeellisiin tuloksiin perustuvia tietoja käytettiin apuna hitsausliitosten väsymiskäyttäytymisen ymmärtämiseksi ja materiaalivakioiden määrittämiseksi. Kuormaa kantavien vajaatunkeumaisten hitsausliitosten väsymislujuus määritettiin käyttämällä elementtimenetelmää. Suurimman pääjännityksen kriteeriä hyödynnettiin murtumiskäyttäytymisen ennakoimiseksi. Valitulle hitsatulle materiaalille ja koeolosuhteille murtumiskäyttäytymistä mallinnettiin särön kasvunopeudella da/dN ja jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälillä, 'K. Paris:n yhtälön numeerinen integrointi suoritettiin FRANC2D/L tietokoneohjelmalla. Saatujen tulosten perusteella voidaan laskea FAT tutkittavassa tapauksessa. ¿¿th laskettiin alkusärön jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin ja kynnysjännitysintensiteettikertoimen, 'Kth, perusteella. ¿Kth arvoa pienemmällä vaihteluvälillä särö ei kasva. Analyyseissäoletuksena oli hitsattu jälkikäsittelemätön liitos, jossa oli valmis alkusärö hitsin juuressa. Analyysien tulokset ovat hyödyllisiä suunnittelijoille, jotka tekevät päätöksiä koskien geometrisiä parametreja, joilla on vaikutusta hitsausliitosten väsymislujuuteen.