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.

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.

Yksittäistuotannon robotisointi konenäön avulla

Työn tavoitteena oli uuden konenäköpohjaisen hitsausrobottiaseman käyttöönotto ja järjestelmän kehittäminen siten, että voitiin mahdollistaa vähintään vaadittu 70 %:n kaariaikasuhde ohjelmien sisällä. Aseman käyttöönotolla pyrittiin tehostamaan hitsaustyötä ja helpottamaan tuotanto-paineita osavalmistuksen paneeli-linjalla. Hitsausasemalla parannetaan myös työntekijöiden työergonomiaa sekä koko työn imagoa. Kirjallisen osan tarkoituksena oli tutkia robotisoitua hitsausta ja sen tuomia etuja, verrata jo olemassa olevia ohjelmointimenetelmiä uuteen ohjelmointitapaan ja selvittää robottien tarkkuuksia. Kirjallisuusosan jälkimmäisessä osassa tutustuttiin konenäköön ja sen laitteistoihin sekä sovelluksiin. Kirjallisuus-tutkimuksessa selvisi, että uusi ohjelmointimenetelmä on selvä parannus kyseiseen sovellukseen. Käytännön osassa on esitelty konenäköpohjainen hitsausrobottiasema sen suunnittelusta, käyttöönottoon ja tuotantotesteihin asti. Käytännön osassa on lisäksi esitelty asema osana koko automatisointiprojektia. Lisäksi on kerrottu järjestelmän toiminnasta sekä makroista, joihin robotin toiminta perustuu. Lopuksi on tehty katsaus maailmalla olevista vastaavista järjestelmistä ja niiden teknologioista sekä verrattiin niitä tähän uuteen järjestelmään. Tavoitteena olleeseen 70% kaariaikasuhteeseen ohjelmien sisällä päästiin jo lyhyen koejakson aikana. Käyttöönotettu konenäköpohjainen hitsausrobottiasema on tiettävästi ensimmäinen hitsausasema maailmassa, jota ei tarvitse ohjelmoida etukäteen. Ohjelmointiin kuluva aika on minimaalinen, koska operaattori ohjelmoi robotin sen hitsatessa tuotetta. Kokeellinen osa osoitti, että käyttöönotettu konenäköpohjainen hitsausrobottiasema toimii, kuten se oli suunniteltukin. Käyttöönoton yhteydessä huomattiin monia kehitettäviä asioita, joilla järjestelmästä on mahdollista saada vieläkin tehokkaampi.

Kaarihitsauksen suojakaasun tunnistus ja virtauksen mittaus ultraäänellä

Kaasukaarihitsauksessa suojakaasuna käytetään yleensä argonin ja hiilidioksidin tai argonin ja heliumin seoksia. Suojakaasu vaikuttaa useisiin hitsausominaisuuksiin, jotka puolestaan vaikuttavat hitsauksen laatuun ja tuottavuuteen. Automaattisella suojakaasun tunnistuksella ja virtausmäärän mittauksella voitaisiin tehdä hitsauksesta paitsi käyttäjän kannalta yksinkertaisempaa, myös laadukkaampaa. Työn tavoite on löytää mahdollisimman edullinen ja kuitenkin mahdollisimman tarkasti kaasuseoksia tunnistava menetelmä, jota voitaisiin hyödyntää MIG/MAG-hitsauskoneeseen sisäänrakennettuna. Selvä etu on, jos menetelmällä voidaan mitata myös kaasun virtausmäärä. Äänennopeus kaasumaisessa väliaineessa on aineen atomi- ja molekyylirakenteesta ja lämpötilasta riippuva ominaisuus, joka voidaan mitata melko edullisesti. Äänennopeuden määritys perustuu ääniaallon kulkuajan mittaamiseen tunnetun pituisella matkalla. Kaasun virtausnopeus on laskettavissa myötä- ja vastavirtaan mitattujen kulkuaikojen erotuksen avulla. Rakennettu mittauslaitteisto koostuu kahdesta ultraäänimuuntimesta, joiden halkaisija on 10 mm ja jotka toimivat sekä lähettimenä että vastaanottimena. Muuntimet ovat 140 mm:n etäisyydellä toisistaan virtauskanavassa, jossa suojakaasu virtaa yhdensuuntaisesti äänen kanssa. Virtauskanava on putki, jossa on käytetty elastisia materiaaleja, jotta ääniaaltojen eteneminen kanavan runkoa pitkin minimoituisi. Kehitetty algoritmi etsii kahden lähetetyn 40 kHz:n taajuisen kanttiaaltopulssin aiheuttaman vasteen perusteella ääniaallon saapumisajanhetken. Useiden mittausten, tulosten lajittelun ja suodatuksen jälkeen tuntemattomalle kaasulle lasketaan lämpötilakompensoitu vertailuluku. Tuntematon kaasu tunnistetaan vertailemalla lukua tunnettujen kaasuseosten mitattuihin vertailulukuihin. Laitteisto tunnistaa seokset, joissa heliumin osuus argonissa on enintään 50 %. Hiilidioksidia sisältävät argonin seokset puolestaan tunnistetaan puhtaaseen hiilidioksidiin asti jopa kahden prosenttiyksikön tarkkuudella. Kaasun tilavuusvirtausmittauksen tarkkuus on noin 1,0 l/min.

Characterization Of Process Efficiency Improvement In Laser Additive Manufacturing

Laser additive manufacturing (LAM), known also as 3D printing, has gained a lot of interest in past recent years within various industries, such as medical and aerospace industries. LAM enables fabrication of complex 3D geometries by melting metal powder layer by layer with laser beam. Research in laser additive manufacturing has been focused in development of new materials and new applications in past 10 years. Since this technology is on cutting edge, efficiency of manufacturing process is in center role of research of this industry. Aim of this thesis is to characterize methods for process efficiency improvements in laser additive manufacturing. The aim is also to clarify the effect of process parameters to the stability of the process and in microstructure of manufactured pieces. Experimental tests of this thesis were made with various process parameters and their effect on build pieces has been studied, when additive manufacturing was performed with a modified research machine representing EOSINT M-series and with EOS EOSINT M280. Material used was stainless steel 17-4 PH. Also, some of the methods for process efficiency improvements were tested. Literature review of this thesis presents basics of laser additive manufacturing, methods for improve the process efficiency and laser beam – material- interaction. It was observed that there are only few public studies about process efficiency of laser additive manufacturing of stainless steel. According to literature, it is possible to improve process efficiency with higher power lasers and thicker layer thicknesses. The process efficiency improvement is possible if the effect of process parameter changes in manufactured pieces is known. According to experiments carried out in this thesis, it was concluded that process parameters have major role in single track formation in laser additive manufacturing. Rough estimation equations were created to describe the effect of input parameters to output parameters. The experimental results showed that the WDA (width-depth-area of cross-sections of single track) is correlating exponentially with energy density input. The energy density input is combination of the input parameters of laser power, laser beam spot diameter and scan speed. The use of skin-core technique enables improvement of process efficiency as the core of the part is manufactured with higher laser power and thicker layer thickness and the skin with lower laser power and thinner layer thickness in order to maintain high resolution. In this technique the interface between skin and core must have overlapping in order to achieve full dense parts. It was also noticed in this thesis that keyhole can be formed in LAM process. It was noticed that the threshold intensity value of 106 W/cm2 was exceeded during the tests. This means that in these tests the keyhole formation was possible.