Optimal welding parameters for geometrically and metallurgically high-quality thin-walled sheet metal joints

Abstract

This study investigates thin-walled sheet metal welded lap joints in automotive applications, where durable and long-lasting joining is required. Previous research revealed a gap in understanding how base materials form different weld profile geometry between each other, despite identical welding conditions. The dimensions by the transition from weld bead to base material are highly relevant for the fatigue capacity of the joint. The goal in this study was to gain an understanding on the effect of the welding parameters, identify optimal parameter combinations and create graphs for the materials used to visualise different quality classes that can be expected with given welding parameters.

Three steels – S355, 9MnCrTiB8-3 and 11MnCrMoTiB8-3 – were welded using GMAW and evaluated through experimental testing and statistical optimisation (Taguchi method, RSM and ANOVA). The experiments varied welding parameters and used alternative welding positions. Results showed that automotive-grade steels consistently formed weld profile with favorable transition radii and angles, while S355 tended to form defects and could not reach equal quality within the boundaries of the tested variations. Further research is needed to match the quality of S355 to the automotive steels.

Analysis confirmed that the range of acceptable welding parameters differs between the materials, and that the level of influence of a parameter depends on the base material. The alternative welding positions proved no consistent improvement that would outweigh the added complexity of the welding setup. S355 was observed to behave differently thermally, potentially giving insight into the tendency for lower quality.

Tämä tutkielma tarkastelee ohutlevyjen limittäisiä hitsausliitoksia autoteollisuuden käyttökohteissa, joissa vahvat ja pitkään kestävät liitokset ovat vaadittuja. Edellinen tutkimus havaitsi perusmateriaalien vaikuttavan muodostuvan hitsin profiilin geometriaan, eroten toisistaan, vaikka hitsausolosuhteet olivat muuten samanlaiset. Liitoskohdan mitat hitsipalosta perusmateriaaliin ovat erityisen tärkeitä liitoksen väsymiskestävyyden kannalta. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli saada ymmärrys hitsausparametrien vaikutuksesta, löytää optimi parametriyhdistelmät ja luoda kuvaajat materiaaleille, joilla voidaan havainnoida odotettuja laatuluokkia annetuilla hitsausparametreillä.

Kolme terästä – S355, 9MnCrTiB8-3 ja 11MnCrMoTiB8-3 – hitsattiin käyttäen GMAW-hitsausta ja arvioitiin käyttäen kokeellista tutkimusta ja tilastollisia optimointimenetelmiä (Taguchi-menetelmä, RSM ja ANOVA). Koehitsauksissa säädettiin hitsausparametrejä ja hitsausasentoa. Tuloksissa kävi ilmi, että autoteollisuusluokan teräkset jatkuvasti muodostivat hitsiprofiilia, jolla on suotuisa liityntäkohdan säde ja kulma, kun taas S355 tapasi muodostaa virheitä, eikä saavuttanut yhtä hyvää laatua tutkittujen rajojen sisällä. Lisätutkimusta tarvitaan, jotta autoterästen laatutasolle voidaan päästä.

Analyysi todisti hyväksyttävien hitsausparametrien alueen eroavan materiaalien välillä ja parametrien vaikutuksen tason riippuvan perusmateriaalista. Vaihtoehtoiset hitsausasennot eivät tuottaneet tasaista parannusta, joka olisi hitsausvalmisteluiden kasvaneen monimutkaisuuden arvoista. Materiaalin S355 havaittiin käyttäytyvän termisesti eri tavalla, mahdollisesti selittäen taipumuksen huonommalle laadulle.