Suojakaasuseoksen koostumuksen vaikutus CO2-laser-MAG-hybridihitsauksessa

Abstract

Hitsaavassa teollisuudessa kilpailukyvyn säilyttäminen edellyttää hitsauksen tehokkuuden nostoa. Niinpä metalliteollisuus etsii kuumeisesti uusia yhä tehokkaampia hitsausmenetelmiä. CO2-laserin ja MAG:in yhdistelmän muodostamalla hybridihitsauksella saadaan aikaan syvä tunkeuma kuten laserhitsauksessa, mutta sallitaan laserhitsausta väljemmät railotoleranssit. Samalla muodonmuutokset vähenevät huomattavasti verrattuna perinteiseen kaarihitsaukseen. Kaariavusteisessa laserhitsauksessa yhdistetään laserhitsaukseen perinteinen kaarihitsaus eli MIG/MAG-, TIG- tai plasmahitsaus. Menetelmää voidaan kutsua myös hybridihitsaukseksi ja sillä hyödynnetään molempien prosessien edut välttyen yksittäisten prosessien haitoilta. Prosessin haittapuolena on parametrien suuri määrä, joka on rajoittanut menetelmän käyttöönottoa. Diplomityössä tutkittiin suojakaasuseoksen koostumuksen vaikutusta rakenneteräksen CO2-laser-MAG-hybridihitsauksessa. Laserhitsauksen ja MAG-hitsauksen suojakaasuvirtaukset yhdistettiin siten, että heliumseosteinen suojakaasu tuotiin MAG-polttimen kaasukuvun kautta. Suojakaasun heliumpitoisuus nostettiin niin korkeaksi, että estettiin laserhitsauksen muodostaman plasman syntyminen. Samalla hitsauskokeissa opittiin paremmin ymmärtämään prosessia ja sen parametrien riippuvuutta toisiinsa. Tutkitut suojakaasuseokset koostuivat heliumista, argonista ja hiilidioksidista. Hitsauskokeiden perusteella havaittiin, että suojakaasuseoksen optimaalinen heliumpitoisuus on 40-50 %. Tällöin laserin tunkeumaa häiritsevää plasmapilveä ei synny ja prosessi on stabiili. Päittäisliitosten hitsauksessa suojakaasuseoksen 2 %:n CO2-pitoisuudella saadaan aikaan hyvin vähän huokosia sisältävä hitsi, jonka tunkeumaprofiilin muoto ja liittymä perusaineeseen on juoheva. Pienaliitoksilla 7 %:n CO2-pitoisuudella prosessi pysyy stabiilina ja vähäroiskeisena. Tunkeuma hieman levenee hitsin keskeltä ja hitsin liittyminen perusaineeseen on juoheva.CO2-laser-MAG-hybridihitsauksella aikaansaadaan laadukkaita hitsejä taloudellisesti, mikäli käytetyt parametrit ovat oikein valittuja. Parametrit on sovitettava jokaiseen hitsaustapaukseen erikseen, eikä niitä välttämättä voida suoraan käyttää toisessa tapauksessa.

Nowadays welding companies are seeking for more efficient welding processes to improve their competitiveness. Using CO2-laser-MAG hybrid welding deep penetration can be achieved and larger groove tolerances compared to laser welding can be accepted. At the same time transformations are noticeably reduced compared to conventional arc welding. In arc augmented laser welding laser beam is coupled to a same process with conventional arc welding (MIG/MAG or TIG) or plasma welding. Process is also called hybrid welding and by using it the advantages of both processes can be utilized while the disadvantages of both processes can be avoided. A disadvantage of the process is the large amount of parameters, which has complicated the introduction of the process. In this master’s thesis the effects of the shielding gas composition are examined on CO2-laser-MAG-hybrid welding of carbon steel. The shielding gas flows of laser-and MAG-welding were joined by bringing a shielding gas containing helium only from the gas nozzle of MAG-torch. The helium content in shielding gas was raised high enough so that the plasma formation of laser was prevented. The process itself and the dependency of the parameters on each other were better learned during the welding trials. Shielding gas mixtures used in this research consisted of helium, argon and carbon dioxide. It was noted during the welding trials, that optimal helium content in shielding gas should be between 40 and 50 %. By using helium content that varies between 40 and 50 % plasma formation can’t be noticed to prevent laser beam from penetrating the metal and the process remains stable. During welding of butt joints the addition of 2 % of carbon dioxide into shielding gas reduces the formation of pores, smoothens the extension of weld metal to base metal and leads to a smoother shape of penetration profile. For fillet joints the CO2-content of 7 % is enough to maintain stable process producing a weld with a smooth extension of weld metal to base metal. Also the penetration in the middle of the weld profile is a bit wider. When using CO2-laser-MAG-hybrid welding high quality welds can be achieved economically, if the parameters used are correctly chosen. Usually the parameters should be adapted to each case separately and they may not be directly used in other cases.