Optimisation and quality improvement of laser welding in austenitic stainless steel pressure filter frames and plates
Ruohola, Jyri (2025)
Diplomityö
2025
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025081882980
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025081882980
Tiivistelmä
The objective of this master’s thesis was to optimise the laser welding process of filter frames and plates manufactured from austenitic stainless steel. Issues related to welding quality occurring in production were sought to be improved and optimisation of the off-line welding program for 1.6 m² filter plates was conducted.
By achieving improvements in the laser welding quality, the need for repairs in post-processing could be eliminated, reducing the lead times of the manufactured products. Issues that were sought to be improved regarding welding quality were the avoidance of end craters, minimising weld bead convexity and improving the butt welds in 1.6 m² filter frames. The optimisation of the off-line program was conducted by e.g. changing the positioning of the robot and approach paths to weld seams.
The findings of the research showed that the end craters could be repaired in the laser welding process with a smoothing second pass on top of the formed end crater using conductive welding. No clear parameters affecting the weld bead height could be found, except the increased laser power and power distribution to the core of BrightLine Weld optical fibre resulting in higher weld beads. The butt weld in 1.6 m² filter frames could not be improved to eliminate the need for repairs entirely due to the geometry of the workpiece. With the changes made to the off-line welding program of 1.6 m² filter plates, the time spent in the welding process could be decreased by 17.6 %. Tämän diplomityön tavoitteena oli optimoida austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä valmistettujen suodinkehysten ja -levyjen laserhitsausprosessia. Tuotannossa esiintyviä laserhitsauksen laatuun liittyviä ongelmia pyrittiin eliminoimaan, sekä 1.6 m² suodinlevyjen laserhitsauksen etäohjelmaa optimoimaan.
Parantamalla laserhitsauksen laatua voidaan jälkikäsittelyssä tehtäviä korjauksia vähentää, ja lyhentää valmistettujen tuotteiden läpimenoaikaa. Hitsauksen laadun parantamiseen liittyviä tutkittuja asioita olivat lopetuskraaterin poistaminen, hitsipalkon korkeuden minimoiminen, sekä 1.6 m² suodinkehysten päittäisliitosten parantaminen. Etäohjelman optimoiminen suoritettiin muuttamalla esimerkiksi robotin asemointia ja hitsisaumojen lähestymisreittejä.
Tutkimuksen tulokset osoittivat, että lopetuskraaterit voidaan korjata laserhitsausprosessissa sulattamalla muodostunut lopetuskraateri umpeen sulattavalla hitsauksella. Selkeitä tuloksia hitsipalkon korkeuteen vaikuttavista parametreista ei tutkimuksessa löydetty, lukuun ottamatta suuremman lasertehon käyttämisen ja tehon jakamisen täysin BrightLine Weld optisen kuidun ytimelle, johtaen korkeamman hitsipalkon muodostumiseen. 1.6 m² suodinkehysten päittäisliitosta ei onnistuttu kappaleen geometrian vuoksi parantamaan niin, että korjaustarve jälkityöstössä olisi kokonaan poistunut. 1.6 m² suodinlevyjen hitsauksen etäohjelmaan tehtyjen muutosten avulla hitsaukseen käytettyä aikaa saatiin lyhennettyä 17.6 %.
By achieving improvements in the laser welding quality, the need for repairs in post-processing could be eliminated, reducing the lead times of the manufactured products. Issues that were sought to be improved regarding welding quality were the avoidance of end craters, minimising weld bead convexity and improving the butt welds in 1.6 m² filter frames. The optimisation of the off-line program was conducted by e.g. changing the positioning of the robot and approach paths to weld seams.
The findings of the research showed that the end craters could be repaired in the laser welding process with a smoothing second pass on top of the formed end crater using conductive welding. No clear parameters affecting the weld bead height could be found, except the increased laser power and power distribution to the core of BrightLine Weld optical fibre resulting in higher weld beads. The butt weld in 1.6 m² filter frames could not be improved to eliminate the need for repairs entirely due to the geometry of the workpiece. With the changes made to the off-line welding program of 1.6 m² filter plates, the time spent in the welding process could be decreased by 17.6 %.
Parantamalla laserhitsauksen laatua voidaan jälkikäsittelyssä tehtäviä korjauksia vähentää, ja lyhentää valmistettujen tuotteiden läpimenoaikaa. Hitsauksen laadun parantamiseen liittyviä tutkittuja asioita olivat lopetuskraaterin poistaminen, hitsipalkon korkeuden minimoiminen, sekä 1.6 m² suodinkehysten päittäisliitosten parantaminen. Etäohjelman optimoiminen suoritettiin muuttamalla esimerkiksi robotin asemointia ja hitsisaumojen lähestymisreittejä.
Tutkimuksen tulokset osoittivat, että lopetuskraaterit voidaan korjata laserhitsausprosessissa sulattamalla muodostunut lopetuskraateri umpeen sulattavalla hitsauksella. Selkeitä tuloksia hitsipalkon korkeuteen vaikuttavista parametreista ei tutkimuksessa löydetty, lukuun ottamatta suuremman lasertehon käyttämisen ja tehon jakamisen täysin BrightLine Weld optisen kuidun ytimelle, johtaen korkeamman hitsipalkon muodostumiseen. 1.6 m² suodinkehysten päittäisliitosta ei onnistuttu kappaleen geometrian vuoksi parantamaan niin, että korjaustarve jälkityöstössä olisi kokonaan poistunut. 1.6 m² suodinlevyjen hitsauksen etäohjelmaan tehtyjen muutosten avulla hitsaukseen käytettyä aikaa saatiin lyhennettyä 17.6 %.