Plasma-MIG/MAG-hybridihitsaus
Oinonen, Niko (2022)
Kandidaatintyö
2022
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022020717905
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022020717905
Tiivistelmä
Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli kartoittaa plasma-MIG/MAG-hybridihitsauksen nykytilaa, ja lisätä tietämystä aiheesta hyödyntäen kirjallisuustutkimuksia ja hitsauskokeita. Teoriaosuudessa keskityttiin vastaamaan siihen, että mitä hyötyä on plasma- ja MIG/MAG-prosessien yhdistämisessä, ja miten näiden prosessien yhdistäminen on käytännössä toteutettu. Lisäksi etsittiin tietoa prosessille soveltuvista railomuodoista ja hitsausliitoksen paksuusalueista. Hitsauskokeilla oli tarkoitus tutkia hypoteesia, jonka mukaan hybridiprosessilla voisi olla mahdollista hitsata 12 mm paksuja teräslevyjä yhdellä palolla, ja näin ollen kasvattaa hitsauksen tuottavuutta. Kirjallisuustutkimus antoi vastauksia myös tämän hypoteesin arviointiin.
Tuloksien mukaan plasma-MIG/MAG-hybridihitsaus mahdollistaa ainakin 2–26 mm paksuisilla teräksillä perinteisiä MIG/MAG-, plasma- ja jauhekaariprosesseja suuremman tuottavuuden tarjoamalla ajansäästöä niin ennen, aikana kuin jälkeen hitsauksen. Kirjallisuudesta löytyneiden tulosten perusteella suurin yhdellä palolla läpihitsattava teräslevyn paksuus on noin 13 mm, jolloin X-railolla voidaan hitsata noin 26 mm paksuisia teräslevyjä. Kirjallisuustutkimuksessa ei kuitenkaan löydetty tietoa siitä, voisiko hybridillä hitsata useampia palkoja samalle puolelle.
Edellä mainittuihin perinteisiin prosesseihin verrattuna plasma-MIG/MAG-hybridi voi hyödyntää pienemmällä poikkipinta-alalla varustettuja railomuotoja, jolloin railonvalmistukseen kuluva aika pienenee. Hitsauksen aikainen ajansäästö on seurausta kasvaneista hitsausnopeuksista ja hitsautumissyvyyksistä, mikä vähentää hitsiin tarvittavien palkojen määrää. Nämä seikat johtavat myös pienentyneeseen lämmöntuontiin työkappaleeseen, jolloin hitsausmuodonmuutokset ja niiden korjaamiseen vaadittava aika pienevät.
Hitsauskokeita tehtiin viisi kappaletta, ja kokeissa vertailtiin perinteistä MAG-prosessia sekä plasma- että MAG-prosessien erillisinä palkoina tapahtuvaan hitsaukseen, kuin myös hybridihitsaukseen. Hitsauskokeissa saatiin hybridin sijasta toteutettua plasma-MAG-tandem, mikä oli 12 mm levyjen hitsauksessa noin 40 % nopeampi, kuin verrokkina ollut perinteinen MAG-hitsaus. Tandem vaatii teknisesti ottaen railon täyttämiseen kaksi palkoa, mutta koska nämä palot hitsataan saman hitsausliikkeen aikana, on saavutettu tulos riittävä todentamaan sen, että 12 mm paksujen teräslevyjen hitsausta voidaan tehostaa hypoteesin mukaisesti. Kirjallisuustutkimuksessa löytyi tietoa, jonka mukaan plasma-MIG/MAG-hybridillä on mahdollista hitsata 12 mm levyjä hypoteesin mukaisesti.
Työn johtopäätöksissä arvioidaan plasma-MIG/MAG-hybridin olevan harkinnan arvoinen vaihtoehto erityisesti tahoille, jotka pyrkivät kasvattamaan 2–26 mm paksujen teräksien hitsauksen tuottavuutta. Hybridihitsauksen hyödyntäminen muille materiaaleille tai yli 26 mm paksuille levyille vaatisi lisätutkimusta. The aim of this Bachelor’s thesis was to investigate the current status of plasma-MIG/MAG-hybrid welding, and expand the knowledge on the topic by utilising literary review and welding tests. Literary review was focused on answering what are the benefits of combining plasma- and MIG/MAG-processes, and how this combination is done in practise. Information was also sought to find answers on what type of a joint preparation could be used, and what would be the suitable thickness range for welded joints using this hybrid process. Welding tests were utilised to examine a hypothesis, which claimed that it would be possible to weld 12 mm thick plates in a single pass using this hybrid process, and by thus to increase the productivity of the welding. The literature review brought answers also to this examination of the hypothesis.
According to the findings of the thesis, plasma-MIG/MAG-hybrid welding makes it possible to achieve higher productivity by offering time savings before, during and after welding, at least when using 2–26 mm thick steel plates, compared to the traditionally utilised MIG/MAG-, plasma- and SAW-processes. Based on the data found from the literature, the maximum steel plate thickness the hybrid process can weld in a single pass with a complete joint penetration, is about 13 mm, making it possible to weld 26 mm thick steel plates by utilising a double V-preparation. The literature review was unable to find information on whether multiple beads could be welded by the hybrid process on the same side of the plate or not.
Compared to the aforementioned traditional welding processes, the plasma-MIG/MAG-hybrid can utilise types of joint preparations with a smaller cross-sectional area, which reduces the time needed for the edge preparation. The time savings during the actual welding are a result of increased welding speeds and penetration depths, with the latter reducing the amount of passes needed for the weld. These circumstances lead also into a reduced heat input to the base material, which then reduces the amplitude of welding deformations and time needed for correcting them.
A total of five welding tests on the 12 mm plates were carried out, in which the traditional MAG-process was compared to both welding with separate plasma- and MAG-passes, and the hybrid welding itself. Instead of a hybrid, a tandem plasma-MAG-process was achieved in the welding tests. This tandem system was about 40 % faster than the traditional MAG-process. Technically speaking the tandem requires two beads to fill the joint preparation, but because both these beads form during the same pass, this achieved test result is enough to prove that welding of 12 mm thick plates can be enhanced as theorised in the hypothesis. The literary review found information, according to which it is possible to weld 12 mm plates using the plasma-MIG/MAG-hybrid welding in a way described in the hypothesis.
The conclusions of the thesis estimate the plasma-MIG/MAG-hybrid welding to be an option worth considering, especially to those, who seek to enhance the productivity on welding of 2–26 mm thick steel plates. Utilisation of this hybrid welding for other materials or plate thicknesses above 26 mm would require further investigation.
Tuloksien mukaan plasma-MIG/MAG-hybridihitsaus mahdollistaa ainakin 2–26 mm paksuisilla teräksillä perinteisiä MIG/MAG-, plasma- ja jauhekaariprosesseja suuremman tuottavuuden tarjoamalla ajansäästöä niin ennen, aikana kuin jälkeen hitsauksen. Kirjallisuudesta löytyneiden tulosten perusteella suurin yhdellä palolla läpihitsattava teräslevyn paksuus on noin 13 mm, jolloin X-railolla voidaan hitsata noin 26 mm paksuisia teräslevyjä. Kirjallisuustutkimuksessa ei kuitenkaan löydetty tietoa siitä, voisiko hybridillä hitsata useampia palkoja samalle puolelle.
Edellä mainittuihin perinteisiin prosesseihin verrattuna plasma-MIG/MAG-hybridi voi hyödyntää pienemmällä poikkipinta-alalla varustettuja railomuotoja, jolloin railonvalmistukseen kuluva aika pienenee. Hitsauksen aikainen ajansäästö on seurausta kasvaneista hitsausnopeuksista ja hitsautumissyvyyksistä, mikä vähentää hitsiin tarvittavien palkojen määrää. Nämä seikat johtavat myös pienentyneeseen lämmöntuontiin työkappaleeseen, jolloin hitsausmuodonmuutokset ja niiden korjaamiseen vaadittava aika pienevät.
Hitsauskokeita tehtiin viisi kappaletta, ja kokeissa vertailtiin perinteistä MAG-prosessia sekä plasma- että MAG-prosessien erillisinä palkoina tapahtuvaan hitsaukseen, kuin myös hybridihitsaukseen. Hitsauskokeissa saatiin hybridin sijasta toteutettua plasma-MAG-tandem, mikä oli 12 mm levyjen hitsauksessa noin 40 % nopeampi, kuin verrokkina ollut perinteinen MAG-hitsaus. Tandem vaatii teknisesti ottaen railon täyttämiseen kaksi palkoa, mutta koska nämä palot hitsataan saman hitsausliikkeen aikana, on saavutettu tulos riittävä todentamaan sen, että 12 mm paksujen teräslevyjen hitsausta voidaan tehostaa hypoteesin mukaisesti. Kirjallisuustutkimuksessa löytyi tietoa, jonka mukaan plasma-MIG/MAG-hybridillä on mahdollista hitsata 12 mm levyjä hypoteesin mukaisesti.
Työn johtopäätöksissä arvioidaan plasma-MIG/MAG-hybridin olevan harkinnan arvoinen vaihtoehto erityisesti tahoille, jotka pyrkivät kasvattamaan 2–26 mm paksujen teräksien hitsauksen tuottavuutta. Hybridihitsauksen hyödyntäminen muille materiaaleille tai yli 26 mm paksuille levyille vaatisi lisätutkimusta.
According to the findings of the thesis, plasma-MIG/MAG-hybrid welding makes it possible to achieve higher productivity by offering time savings before, during and after welding, at least when using 2–26 mm thick steel plates, compared to the traditionally utilised MIG/MAG-, plasma- and SAW-processes. Based on the data found from the literature, the maximum steel plate thickness the hybrid process can weld in a single pass with a complete joint penetration, is about 13 mm, making it possible to weld 26 mm thick steel plates by utilising a double V-preparation. The literature review was unable to find information on whether multiple beads could be welded by the hybrid process on the same side of the plate or not.
Compared to the aforementioned traditional welding processes, the plasma-MIG/MAG-hybrid can utilise types of joint preparations with a smaller cross-sectional area, which reduces the time needed for the edge preparation. The time savings during the actual welding are a result of increased welding speeds and penetration depths, with the latter reducing the amount of passes needed for the weld. These circumstances lead also into a reduced heat input to the base material, which then reduces the amplitude of welding deformations and time needed for correcting them.
A total of five welding tests on the 12 mm plates were carried out, in which the traditional MAG-process was compared to both welding with separate plasma- and MAG-passes, and the hybrid welding itself. Instead of a hybrid, a tandem plasma-MAG-process was achieved in the welding tests. This tandem system was about 40 % faster than the traditional MAG-process. Technically speaking the tandem requires two beads to fill the joint preparation, but because both these beads form during the same pass, this achieved test result is enough to prove that welding of 12 mm thick plates can be enhanced as theorised in the hypothesis. The literary review found information, according to which it is possible to weld 12 mm plates using the plasma-MIG/MAG-hybrid welding in a way described in the hypothesis.
The conclusions of the thesis estimate the plasma-MIG/MAG-hybrid welding to be an option worth considering, especially to those, who seek to enhance the productivity on welding of 2–26 mm thick steel plates. Utilisation of this hybrid welding for other materials or plate thicknesses above 26 mm would require further investigation.