Laserhybridihitsauksen reaaliaikainen laadunvalvonta päittäisliitoksissa
Åberg, Arimo (2020)
Diplomityö
Åberg, Arimo
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020052538995
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020052538995
Tiivistelmä
Hitsauksessa laadunvalvonta on tärkeää, jotta varmistutaan tavoiteltavasta hitsausluokasta. Tämän diplomityön tavoite on löytää ratkaisu suurten levyjen päittäishitsauksen reaaliaikaiseen laadunvalvontaan laserhybridillä. Laserhybridihitsaus tarkoittaa tässä diplomityössä kuitulaserin (1070 nm) ja MAG-prosessin yhdistelmää. Luotettava laadunvalvontajärjestelmä vähentää hitsattujen rakenteiden NDT ja DT tarkastusten määrää ja niistä syntyviä kustannuksia, sekä nostaa hitsaustuotannon tehokkuutta.
Tämän diplomityön kirjallisuuskatsauksessa havaittiin, että laserhybridihitsaus on dynaaminen, epävakaa ja moni-ilmiöinen prosessi, johtuen kahden eri lämmönlähteen vuorovaikutuksesta. Laserhybridihitsauksen monitorointiin ei ole olemassa valmiita ratkaisuita. Hybridihitsausta voidaan kuitenkin monitoroida monisensorointijärjestelmillä, jolloin monitoroidaan prosessista useita eri suureita eri menetelmillä samanaikaisesti.
Suurten levyjen päittäishitsaus sisältää tyypillisesti kaksi eri vaihetta: levyjen silloituksen laserilla ja varsinaisen laserhybridiprosessin. Diplomityön kokeellisessa osassa lasersilloitusta monitoroidaan HDR-kameralla ja SeamMonitor-konenäköjärjestelmällä. Hybridihitsausta monitoroidaan LWM-fotodiodijärjestelmällä, joka sisältää P- (400–600 nm) ja T-anturin (1100–1800 nm). Näillä fotodiodeilla mitataan prosessin emittoiman sähkömagneettisen säteilyn intensiteettiä halutuilla aallonpituusalueella. Lasersilloituksen aikana pyritään seuraamaan lasersäteen positiota suhteessa hitsausrailoon ja hybridihitsauksen aikana tavoite on etsiä fotodiodien signaaleista indikaatio hitsausvirheistä.
Lasersilloituksen aikana lasersäteen positiota voitiin mitata 0.15 mm tarkkuudella. Hybridihitsauksen aikana P-signaalin intensiteetin muutoksista löydettiin indikaatio hybridihitsauspään hitsausradan muutoksista suhteessa railoon. P-anturilla voitiin havaita merkittävä huokoisuus hitsissä, sekä magneettinen puhallus. Valokaaren merkittävä epävakaus havaittiin P- ja T-signaaleista. Welding quality assurance is important for ensuring that a desirable welding class is achieved. The goal of this master’s thesis is to find a solution for an in-process monitoring of laser hybrid welding of butt joints. In this thesis, laser hybrid welding means a combination of a fiber laser (1070 nm) and a MAG-process. A reliable quality assurance system will reduce NDT and DT inspection costs. It will also improve production efficiency.
In the literature review, it was noticed that due the heat transmission from two different sources of heat in the same process which are in the synergy, laser hybrid welding is a complex process. The process is also dynamic and unstable. There are none ready to use solutions in the market for monitoring of laser hybrid welding. But it is however possible to use multisensory monitoring system which is monitoring a process in several ranges.
A butt joint of big plates typically consists of two phases: temporal tack welding with a laser and laser hybrid welding process. In the experimental part of this thesis, a laser tack welding is monitored with an HDR camera and the hybrid process is monitored with a SeamMonitor machine vision system. The hybrid welding is monitored with an LWM photodiode system which included P-sensor (400–600 nm) and T-sensor (1100–1800 nm). With these photodiodes it is possible to measure intensity of an electromagnetic radiation in the desired wavelength range. During the tack welding, the goal is to measure a position of a laser beam in comparison with a weld groove. During the hybrid welding the goal is to find indications of weld defects.
Measuring of a laser beam position was possible in accuracy of 0.15 mm. During the hybrid welding a P-signal indicated about the changes in the welding path of the hybrid welding head. It was possible to detect significant pores during hybrid welding with P-sensor and a magnetic blow. Unstable arc was possible to be detected from P- and T-signals.
Tämän diplomityön kirjallisuuskatsauksessa havaittiin, että laserhybridihitsaus on dynaaminen, epävakaa ja moni-ilmiöinen prosessi, johtuen kahden eri lämmönlähteen vuorovaikutuksesta. Laserhybridihitsauksen monitorointiin ei ole olemassa valmiita ratkaisuita. Hybridihitsausta voidaan kuitenkin monitoroida monisensorointijärjestelmillä, jolloin monitoroidaan prosessista useita eri suureita eri menetelmillä samanaikaisesti.
Suurten levyjen päittäishitsaus sisältää tyypillisesti kaksi eri vaihetta: levyjen silloituksen laserilla ja varsinaisen laserhybridiprosessin. Diplomityön kokeellisessa osassa lasersilloitusta monitoroidaan HDR-kameralla ja SeamMonitor-konenäköjärjestelmällä. Hybridihitsausta monitoroidaan LWM-fotodiodijärjestelmällä, joka sisältää P- (400–600 nm) ja T-anturin (1100–1800 nm). Näillä fotodiodeilla mitataan prosessin emittoiman sähkömagneettisen säteilyn intensiteettiä halutuilla aallonpituusalueella. Lasersilloituksen aikana pyritään seuraamaan lasersäteen positiota suhteessa hitsausrailoon ja hybridihitsauksen aikana tavoite on etsiä fotodiodien signaaleista indikaatio hitsausvirheistä.
Lasersilloituksen aikana lasersäteen positiota voitiin mitata 0.15 mm tarkkuudella. Hybridihitsauksen aikana P-signaalin intensiteetin muutoksista löydettiin indikaatio hybridihitsauspään hitsausradan muutoksista suhteessa railoon. P-anturilla voitiin havaita merkittävä huokoisuus hitsissä, sekä magneettinen puhallus. Valokaaren merkittävä epävakaus havaittiin P- ja T-signaaleista.
In the literature review, it was noticed that due the heat transmission from two different sources of heat in the same process which are in the synergy, laser hybrid welding is a complex process. The process is also dynamic and unstable. There are none ready to use solutions in the market for monitoring of laser hybrid welding. But it is however possible to use multisensory monitoring system which is monitoring a process in several ranges.
A butt joint of big plates typically consists of two phases: temporal tack welding with a laser and laser hybrid welding process. In the experimental part of this thesis, a laser tack welding is monitored with an HDR camera and the hybrid process is monitored with a SeamMonitor machine vision system. The hybrid welding is monitored with an LWM photodiode system which included P-sensor (400–600 nm) and T-sensor (1100–1800 nm). With these photodiodes it is possible to measure intensity of an electromagnetic radiation in the desired wavelength range. During the tack welding, the goal is to measure a position of a laser beam in comparison with a weld groove. During the hybrid welding the goal is to find indications of weld defects.
Measuring of a laser beam position was possible in accuracy of 0.15 mm. During the hybrid welding a P-signal indicated about the changes in the welding path of the hybrid welding head. It was possible to detect significant pores during hybrid welding with P-sensor and a magnetic blow. Unstable arc was possible to be detected from P- and T-signals.