Hiiliteräspalkin kuitulaserhitsaus

Abstract

Hitsaavassa teollisuudessa kilpailukyvyn säilyttäminen ja mahdollinen parantaminen edellyttää hitsauksen tehokkuuden nostoa. Laserhitsauksen nopeus, tarkkuus, tasainen laatu ja aikaansaatava syvä tunkeuma ovatkin vakiinnuttaneet menetelmän vankan aseman tehokkaana valmistusmenetelmänä. Sähkön ja heliumin hinnan nousu ovat pakottaneet teollisuuden miettimään entistä tehokkaampien ja ympäristöystävällisempien laserlähteiden hankkimista. Kuitulaserin korkea hyötysuhde, hyvä säteenlaatu, suuri teho ja matalat käyttökustannukset ovat herättäneet kiinnostusta laserhitsaavassa teollisuudessa.

Diplomityössä keskityttiin kuitulaserhitsauksen soveltamiseen. Työn tavoitteena oli parantaa kuitulaserhitsausmenetelmän ymmärrystä ja saada käsitys siitä, miten valitaan hitsausparametrien arvot, ja soveltuuko kuitulaser teolliseen tuotantoon. Tutkimuksessa pyrittiin löytämään peruskokeilla optimaaliset hitsausparametrit, joilla syntyy hyvin tunkeutunut, vähän huokosia sisältävä, ja ulkoisesti laadukas hitsi, sekä optimaalinen hitsin tunkeumaprofiili. Lopuksi hitsausparametreja testattiin tuotteen hitsauksessa.

Kuitulaser soveltuu erinomaisesti hiiliteräksen hitsaukseen ja hyvin erikoislujien terästen hitsaukseen, kun teräksen hiili- ja rikkipitoisuudet ovat matalia. Sillä on laaja parametrialue. Yleisimmät hitsausvirheet ovat vajaa hitsautumissyvyys ja huokoset.

Tässä diplomityössä keskityttiin etsimään yhdelle valmistettavalle tuotteelle optimaaliset kuitulaserhitsausparametrit. Kuitulaserin laser- ja prosessiparametrien vaikutusta hitsiin ei ole juurikaan tutkittu. Diplomityön kokeiden perusteella olisi hyvä tehdä eri materiaalien jatkotutkimusta railonvalmistuksen, kuten liitoksen oksidikerroksen ja ilmaraon sekä suojakaasun, vaikutuksesta hitsiin. Kuitulaserin hyvä säteenlaatu ja muut laser-parametrit ovat tuoneet mukanaan prosessiin uusia ilmiöitä, joita on syytä tutkia lisää.

Maintaining and improving the competence in the welding industry requires raising the level of welding efficiency. The speed, accuracy, constant quality and high penetration ability have been the main factors to gain a strong position for laser welding as an efficient production method. The raise in the prices of electricity and Helium have forced the industry to look for laser sources that are even more powerful and environmentally friendly. Fiber laser has high efficiency level, high beam quality, high power and low operating costs therefore it has found interest in welding industry.

This Master’s thesis is focused on an application of welding using fiber laser. The goal for this work was to improve the knowledge of the method of fiber laser welding, to get information about how to choose the welding parameters, and to find out if fiber laser welding suitable for industrial scale use. In this research we used basic experiments to find optimal welding parameters to produce well penetrated, with low porosity, externally high quality, and the optimal penetration profile for the weld. In the end these parameters were used in the welding for real product.

Fiber laser was found to be working extremely well for welding carbon steel and other hard steels, which have low levels of carbon and sulphur. It has wide parameter range. The most common welding defects are incomplete penetration and pores.

In this Master’s thesis we focused to find the optimal fiber laser welding parameters for one specific product. The effects of the laser parameters and the process parameters of fiber laser on weld were not researched. The experiments done for this thesis showed that there is need for further research on the effects on the weld caused by the groove preparation like the oxide layer in the joint, air gap and protective gas. The high beam quality in fiber laser and the other laser parameters have resulted new phenomena to the process, which should be researched more.