MIG/MAG-hitsausprosessit valokaareen perustuvassa lankapohjaisessa suorakerrostuksessa
Raussi, Vili (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20230829112202
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20230829112202
Tiivistelmä
Työssä tutkittiin Kemppi Oy:n nykyisten MIG/MAG-hitsauksen kaariprosessien ja laitteiston soveltuvuutta valokaareen perustuvassa lankapohjaisessa suorakerrostuksessa. Valokaareen perustuva lankapohjainen suorakerrostus, tunnetummin WAAM on viime vuosina ollut kasvava trendi lisäävän valmistuksen valmistusmenetelmänä, minkä takia Kemppi Oy halusi tutkia myös oman laitteistonsa soveltuvuutta kyseiselle valmistusmenetelmälle. Työn tavoitteena oli löytää kaariprosesseista sopivin tässä työssä 316LSi-materiaalista valmistetulle aineenkoetuskappaleille sekä tutkia valmistusprosessin parametrien muutosten vaikutusta valmistettavan kappaleen geometriaan ja materiaaliominaisuuksiin.
Työn kirjallisuuskatsaus osiossa tutkittiin valokaareen perustuvaan lankapohjaiseen suorakerrostukseen käytettävää laitteistoa, joka yleisimmin koostuu teollisuusrobotista ja siihen liitetystä valokaarta tuottavasta hitsausvirtalähteestä sekä valmistusprosessin vaatimasta CAD/CAM-ohjelmistosta. Laitteiston lisäksi tutkittiin myös valmistusprosessissa yleisimmin käytettyjä materiaaleja ja motiiveja niiden taustalla. Tutkituimmat materiaalit olivat erilaiset titaaniseokset erityisten lujuusominaisuuksiensa takia ja nikkelipohjaiset superseokset huonon koneistettavuutensa takia. Yhtenä osana tutkittiin myös muissa tutkimuksissa ja kaupallisissa sovelluksissa käytettyjä kaariprosesseja, joista Froniuksen CMT-kaariprosessi on yleisimmin käytetty. Työssä tutkittiin myös austeniittisten ruostumattomien terästen hitsausta, jotta saatiin perusta tutkimuksen kokeelliselle osiolle. Työn kokeellisessa osiossa valmistettiin esitestausten perusteella valitulla kaariprosessilla ja valmistusmenetelmän parametreilla kaksi aineenkoetuskappaletta, joille suoritettiin standardien mukaisia materiaalitestauksia. Esitestausten ja materiaalitestausten perusteella kappaleen geometria vaikuttaa merkittävästi kaariprosessin valintaan ja valmistusprosessin parametreihin, minkä takia ei voida määrittää yleisesti yhtä sopivaa kaariprosessia. The work investigated the suitability of Kemppi Oy's current MIG/MAG welding arc processes and equipment in wire arc additive manufacturing. In recent years wire arc additive manufacturing has been a growing trend as a manufacturing method in additive manufacturing field. Because of that Kemppi Oy also wanted to investigate the suitability of its own equipment for this method. The aim of the work was to find the most suitable arc processes for the test pieces made of 316LSi material in this work, and to investigate the effect of changes in the parameters of the manufacturing process on the geometry and material properties of the manufactured workpieces.
The literature review section of the work examined the equipment used for wire arc additive manufacturing. Commonly manufacturing equipment consists of an industrial robot and arc producing welding power source. Manufacturing equipment also requires CAD/CAM software. In addition to the equipment, the most used materials in the manufacturing process were also studied and the motives behind them. The most studied materials were various titanium alloys, because of their special strength properties, and nickel-based superalloys because of their poor machinability. The competitors arc welding processes were also studied based on other studies and commercial applications. Study pointed out that Fronius' CMT is the most used welding process. The work also investigated the welding of austenitic stainless steels to provide a basis for the experimental part of the study. In the experimental part of the work two material test pieces were manufactured using the arc welding process and the parameters of the manufacturing method which were selected based on the preliminary tests. Based on preliminary tests and material tests, the geometry of the workpiece has a significant influence on the selection of the arc welding process and the parameters. That’s why it is not possible to define a generally suitable arc process.
Työn kirjallisuuskatsaus osiossa tutkittiin valokaareen perustuvaan lankapohjaiseen suorakerrostukseen käytettävää laitteistoa, joka yleisimmin koostuu teollisuusrobotista ja siihen liitetystä valokaarta tuottavasta hitsausvirtalähteestä sekä valmistusprosessin vaatimasta CAD/CAM-ohjelmistosta. Laitteiston lisäksi tutkittiin myös valmistusprosessissa yleisimmin käytettyjä materiaaleja ja motiiveja niiden taustalla. Tutkituimmat materiaalit olivat erilaiset titaaniseokset erityisten lujuusominaisuuksiensa takia ja nikkelipohjaiset superseokset huonon koneistettavuutensa takia. Yhtenä osana tutkittiin myös muissa tutkimuksissa ja kaupallisissa sovelluksissa käytettyjä kaariprosesseja, joista Froniuksen CMT-kaariprosessi on yleisimmin käytetty. Työssä tutkittiin myös austeniittisten ruostumattomien terästen hitsausta, jotta saatiin perusta tutkimuksen kokeelliselle osiolle. Työn kokeellisessa osiossa valmistettiin esitestausten perusteella valitulla kaariprosessilla ja valmistusmenetelmän parametreilla kaksi aineenkoetuskappaletta, joille suoritettiin standardien mukaisia materiaalitestauksia. Esitestausten ja materiaalitestausten perusteella kappaleen geometria vaikuttaa merkittävästi kaariprosessin valintaan ja valmistusprosessin parametreihin, minkä takia ei voida määrittää yleisesti yhtä sopivaa kaariprosessia.
The literature review section of the work examined the equipment used for wire arc additive manufacturing. Commonly manufacturing equipment consists of an industrial robot and arc producing welding power source. Manufacturing equipment also requires CAD/CAM software. In addition to the equipment, the most used materials in the manufacturing process were also studied and the motives behind them. The most studied materials were various titanium alloys, because of their special strength properties, and nickel-based superalloys because of their poor machinability. The competitors arc welding processes were also studied based on other studies and commercial applications. Study pointed out that Fronius' CMT is the most used welding process. The work also investigated the welding of austenitic stainless steels to provide a basis for the experimental part of the study. In the experimental part of the work two material test pieces were manufactured using the arc welding process and the parameters of the manufacturing method which were selected based on the preliminary tests. Based on preliminary tests and material tests, the geometry of the workpiece has a significant influence on the selection of the arc welding process and the parameters. That’s why it is not possible to define a generally suitable arc process.