Laser-TIG–hybridihitsauksen soveltuvuustutkimus
Leppänen, Seppo (2013)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201306144033
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201306144033
Tiivistelmä
Tässä tutkimuksessa selvitetään ilman hitsauslisäainetta tapahtuvan laser–TIG–hybridihitsausprosessin soveltuvuus 6 mm ja 8 mm paksujen päittäisliitettyjen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsaukseen. Hitsien tarkastelussa huomio kiinnitetään hitsausnopeuteen, hitsien tunkeumaan, liittämistehokkuuteen, hitsien kovuuteen ja hitsausliitoksen ulkonäköön. Muita tutkittavia asioita ovat laser-TIG-hybridihitsattujen levyjen muodonmuutokset ja suuresta hitsausnopeudesta sekä pienestä t8/5 jäähtymisajasta johtuvat mahdolliset kylmähalkeamat. Laser-TIG-hybridihitsejä verrataan robotti-MAG- ja käsin MAG-hitseihin sekä kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 hitsiluokkien mukaisiin raja-arvoihin.
Laser-TIG-hybridihitsausprosessissa TIG-valokaari mahdollistaa tasaisen ja lähes roiskeettoman hitsin ja lasersäde aikaansaa syvän tunkeuman sekä tasalaatuisen juurihitsin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla 6 mm paksut S355 K2 rakenneteräslevyt on mahdollista hitsata levyn yhdeltä puolelta kerralla valmiiksi. Paksummat 8 mm levyt voidaan hitsata levyn yhdeltä tai molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla hitsatut hitsit ovat hyvin siistejä ja lähes roiskeettomia.
Verrattaessa laser-TIG-hybridihitsausprosessia muihin hitsausprosesseihin sen voidaan todeta olevan erittäin kilpailukykyinen 6 mm paksujen päittäisliitettyjen rakenneterästen hitsaamisessa, mutta se soveltuu myös 8 mm paksujen rakenneterästen hitsaamiseen.
Tutkitut hitsit täyttävät kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 B- ja D-hitsiluokkien mukaiset raja-arvot.
Vertailukokeet 6 mm paksulla S355 rakenneteräksellä osoittavat, että yhdeltä puolelta suoritettavan laser-TIG-hybridihitsauksen hitsausnopeus on robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna yli nelinkertainen ja MAG-käsinhitsaukseen verrattuna yli viisinkertainen.
Laser-TIG-hybridihitsauksessa liittämistehokkuus on noin viisinkertainen robotti-MAGhitsaukseen verrattuna. Molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella voidaan 8 mm paksulla S355 rakenneteräksellä saavuttaa noin kolminkertainen hitsausnopeus
ja liittämistehokkuus robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna.
Laser-TIG-hybridihitsauksessa TIG-kaaren tuoman lisälämmön ansiosta suurillakin hitsausnopeuksilla (1 m/min) voidaan saavuttaa edulliset kovuusarvot. Kovuusmittausten tulosten perusteella 6 mm ja 8 mm paksujen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsit eivät ylittäneet kaarihitsausstandardin määrittelemää 350 HV kovuuden enimmäisrajaa.
Laser-TIG-hybridihitsauksen edullisesta lämmöntuonnista johtuen levyjen pituus- ja poikittaissuuntaiset muodonmuutokset ovat noin 80 prosenttia pienemmät kuin käsin suoritettavassa MAG-hitsauksessa. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla käytetään I-railoa, mutta robotti-MAG- ja käsin MAG-hitsausprosesseilla joudutaan käyttämään V-railoa, jolloin lämmöntuonti ja siitä johtuvat muodonmuutokset ovat suuremmat. Korkea liittämistehokkuus ja edullinen lämmöntuonti merkitsevät vähäisempiä muodonmuutoksia ja siten merkittäviä säästöjä työ-, materiaali- ja energiakustannuksissa.
8 mm ja sitä paksummilla S355 rakenneteräksillä levyn yhdeltä puolelta suoritettava päittäisliitoksen hitsaaminen on laser-TIG hybridihitsauksella haastavaa, koska yli 200 A:n TIG-kaarivirralla suuri metallisula aiheuttaa avaimenreiän sulkeutumisen ja avaimenreiän alaosaan muodostuu kaasukuplia. Tästä voidaan tehdä sellainen johtopäätös, että päittäisliitettävien levyjen ilmarakoa pitäisi kasvattaa niin suureksi, että avaimenreiän sulavirtaus ei pääse estymään. Yli 0,25 mm:n ilmarako edellyttää lasersäteen vaaputusta tai säteen halkaisijan kasvattamista. Ilmaraon kasvattaminen edellyttää myös lisäaineen käyttöä.
Tutkimustulosten perusteella laser-TIG-hybridihitsausprosessilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja ja kustannussäästöjä, joten sen hyödyntämistä kannattaa harkita 8 mm ja sitä ohuempien päittäisliitettävien tuotteiden konepaja- ja tehdastuotannossa. Laser-TIGhybridihitsausprosessi soveltuu esimerkiksi seuraavien tuotteiden hitsaamiseen: päittäisliitettävät levyt, palkit, koneenosat, putket, säiliöt ja erilaiset pyörähdyskappaleet. This paper examines the suitability of laser-TIG hybrid welding process without filler material to welding of 6 mm and 8 mm thick butt welded S355 K2 and Laser 355 MC structural steels. When examining the welds, attention is drawn to the welding speed, penetration, hardness and the appearance of the weld joints. Furthermore, the purpose of
this thesis is to study deformations of laser-TIG-hybrid welded plates and possible cold cracking which is caused by the small cooling time of t8/5. Laser-TIG-hybrid welds are compared to robot-MAG- and manual-MAG welds, in addition to limit values defined by the classes of the arc welding standard SFS-EN ISO 5817.
In laser-TIG hybrid welding the TIG arc enables an even and almost spatter-free weld and the laser beam causes a deep penetration, as well as a consistent quality root of the weld. With Laser-TIG hybrid welding process, it is possible to weld 6 mm thick S355 K2 structural steel plates with a keyhole process in one run. Thicker 8 mm plates can be welded with laser-TIG hybrid welding process from one or both sides. Laser-TIG hybrid welds are very clean and almost spatter-free.
Comparing laser-TIG hybrid welding process to other welding processes, it can be considered to be highly competitive when welding 6 mm thick butt joint structural steel, but is also suitable for 8 mm thick structural steel welding. The investigated welds meet the standard arc welding SFS-EN ISO 5817 B-and D-quality level limit values.
The comparative tests with 6 mm thick S355 K2 structural steel showed that the speed of laser-TIG hybrid welding is more than fourfold compared to robot-MAG welding and about fivefold compared to manual MAG welding. The joint efficiency of laser-TIG hybrid welding is about fivefold compared to robotic-MAG welding. The welding speed and joint efficiency of on both sides weldable laser-TIG hybrid welding of 8 mm thick structural steel is about threefold compared to robotic-MAG welding.
With the additional heat provided by the TIG-arc in laser-TIG-hybrid welding, efficient hardness values can be achieved even on high welding speeds (1 m/min). Hardness tests showed that 6 mm and 8 mm thick steel plate welds S355 K2 and Laser 355 MC did not
exceed the 350 HV hardness limit specified in arc welding standard values.
Because of the efficient heat input, horizontal and vertical plate deformations are about 80 percent smaller than with manual-MAG welding. I-groove is used in laser-TIG-hybrid welding, but robot-MAG and hand- MAG welds require the use of V-groove, where the
heat input and the deformations caused by it are greater. High joint efficiency and efficient heat input mean lesser deformations and therefore significant savings in labor-, materialand energy costs.
Using laser-TIG-hybrid welding with over 6 mm thick S355 steel plates is very challenging, because with a TIG arc current exceeding 200 A, molten metal causes the keyhole to close and to form gas bubbles in the lower part of the keyhole. Because of this, it can be concluded that the air gap of butt jointed plates should be increased so high that
the keyhole melt flow passing through the joint will not be prevented. An air gap of 0,25 mm or over requires oscillation of the laser beam or increasing the diameter of the beam. Increasing the air gap also requires the use of an additive.
Based on the test results, the laser-TIG hybrid welding process can achieve significant benefits and cost savings, so the use of it should be considered in 8 mm or thinner butt joint products in engineering workshops and industrial production. Laser-TIG hybrid welding process is suitable for the following products for welding, for example: butt joint
plates, beams, machine parts, pipes, tanks and various bodies of revolution.
Laser-TIG-hybridihitsausprosessissa TIG-valokaari mahdollistaa tasaisen ja lähes roiskeettoman hitsin ja lasersäde aikaansaa syvän tunkeuman sekä tasalaatuisen juurihitsin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla 6 mm paksut S355 K2 rakenneteräslevyt on mahdollista hitsata levyn yhdeltä puolelta kerralla valmiiksi. Paksummat 8 mm levyt voidaan hitsata levyn yhdeltä tai molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla hitsatut hitsit ovat hyvin siistejä ja lähes roiskeettomia.
Verrattaessa laser-TIG-hybridihitsausprosessia muihin hitsausprosesseihin sen voidaan todeta olevan erittäin kilpailukykyinen 6 mm paksujen päittäisliitettyjen rakenneterästen hitsaamisessa, mutta se soveltuu myös 8 mm paksujen rakenneterästen hitsaamiseen.
Tutkitut hitsit täyttävät kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 B- ja D-hitsiluokkien mukaiset raja-arvot.
Vertailukokeet 6 mm paksulla S355 rakenneteräksellä osoittavat, että yhdeltä puolelta suoritettavan laser-TIG-hybridihitsauksen hitsausnopeus on robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna yli nelinkertainen ja MAG-käsinhitsaukseen verrattuna yli viisinkertainen.
Laser-TIG-hybridihitsauksessa liittämistehokkuus on noin viisinkertainen robotti-MAGhitsaukseen verrattuna. Molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella voidaan 8 mm paksulla S355 rakenneteräksellä saavuttaa noin kolminkertainen hitsausnopeus
ja liittämistehokkuus robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna.
Laser-TIG-hybridihitsauksessa TIG-kaaren tuoman lisälämmön ansiosta suurillakin hitsausnopeuksilla (1 m/min) voidaan saavuttaa edulliset kovuusarvot. Kovuusmittausten tulosten perusteella 6 mm ja 8 mm paksujen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsit eivät ylittäneet kaarihitsausstandardin määrittelemää 350 HV kovuuden enimmäisrajaa.
Laser-TIG-hybridihitsauksen edullisesta lämmöntuonnista johtuen levyjen pituus- ja poikittaissuuntaiset muodonmuutokset ovat noin 80 prosenttia pienemmät kuin käsin suoritettavassa MAG-hitsauksessa. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla käytetään I-railoa, mutta robotti-MAG- ja käsin MAG-hitsausprosesseilla joudutaan käyttämään V-railoa, jolloin lämmöntuonti ja siitä johtuvat muodonmuutokset ovat suuremmat. Korkea liittämistehokkuus ja edullinen lämmöntuonti merkitsevät vähäisempiä muodonmuutoksia ja siten merkittäviä säästöjä työ-, materiaali- ja energiakustannuksissa.
8 mm ja sitä paksummilla S355 rakenneteräksillä levyn yhdeltä puolelta suoritettava päittäisliitoksen hitsaaminen on laser-TIG hybridihitsauksella haastavaa, koska yli 200 A:n TIG-kaarivirralla suuri metallisula aiheuttaa avaimenreiän sulkeutumisen ja avaimenreiän alaosaan muodostuu kaasukuplia. Tästä voidaan tehdä sellainen johtopäätös, että päittäisliitettävien levyjen ilmarakoa pitäisi kasvattaa niin suureksi, että avaimenreiän sulavirtaus ei pääse estymään. Yli 0,25 mm:n ilmarako edellyttää lasersäteen vaaputusta tai säteen halkaisijan kasvattamista. Ilmaraon kasvattaminen edellyttää myös lisäaineen käyttöä.
Tutkimustulosten perusteella laser-TIG-hybridihitsausprosessilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja ja kustannussäästöjä, joten sen hyödyntämistä kannattaa harkita 8 mm ja sitä ohuempien päittäisliitettävien tuotteiden konepaja- ja tehdastuotannossa. Laser-TIGhybridihitsausprosessi soveltuu esimerkiksi seuraavien tuotteiden hitsaamiseen: päittäisliitettävät levyt, palkit, koneenosat, putket, säiliöt ja erilaiset pyörähdyskappaleet.
this thesis is to study deformations of laser-TIG-hybrid welded plates and possible cold cracking which is caused by the small cooling time of t8/5. Laser-TIG-hybrid welds are compared to robot-MAG- and manual-MAG welds, in addition to limit values defined by the classes of the arc welding standard SFS-EN ISO 5817.
In laser-TIG hybrid welding the TIG arc enables an even and almost spatter-free weld and the laser beam causes a deep penetration, as well as a consistent quality root of the weld. With Laser-TIG hybrid welding process, it is possible to weld 6 mm thick S355 K2 structural steel plates with a keyhole process in one run. Thicker 8 mm plates can be welded with laser-TIG hybrid welding process from one or both sides. Laser-TIG hybrid welds are very clean and almost spatter-free.
Comparing laser-TIG hybrid welding process to other welding processes, it can be considered to be highly competitive when welding 6 mm thick butt joint structural steel, but is also suitable for 8 mm thick structural steel welding. The investigated welds meet the standard arc welding SFS-EN ISO 5817 B-and D-quality level limit values.
The comparative tests with 6 mm thick S355 K2 structural steel showed that the speed of laser-TIG hybrid welding is more than fourfold compared to robot-MAG welding and about fivefold compared to manual MAG welding. The joint efficiency of laser-TIG hybrid welding is about fivefold compared to robotic-MAG welding. The welding speed and joint efficiency of on both sides weldable laser-TIG hybrid welding of 8 mm thick structural steel is about threefold compared to robotic-MAG welding.
With the additional heat provided by the TIG-arc in laser-TIG-hybrid welding, efficient hardness values can be achieved even on high welding speeds (1 m/min). Hardness tests showed that 6 mm and 8 mm thick steel plate welds S355 K2 and Laser 355 MC did not
exceed the 350 HV hardness limit specified in arc welding standard values.
Because of the efficient heat input, horizontal and vertical plate deformations are about 80 percent smaller than with manual-MAG welding. I-groove is used in laser-TIG-hybrid welding, but robot-MAG and hand- MAG welds require the use of V-groove, where the
heat input and the deformations caused by it are greater. High joint efficiency and efficient heat input mean lesser deformations and therefore significant savings in labor-, materialand energy costs.
Using laser-TIG-hybrid welding with over 6 mm thick S355 steel plates is very challenging, because with a TIG arc current exceeding 200 A, molten metal causes the keyhole to close and to form gas bubbles in the lower part of the keyhole. Because of this, it can be concluded that the air gap of butt jointed plates should be increased so high that
the keyhole melt flow passing through the joint will not be prevented. An air gap of 0,25 mm or over requires oscillation of the laser beam or increasing the diameter of the beam. Increasing the air gap also requires the use of an additive.
Based on the test results, the laser-TIG hybrid welding process can achieve significant benefits and cost savings, so the use of it should be considered in 8 mm or thinner butt joint products in engineering workshops and industrial production. Laser-TIG hybrid welding process is suitable for the following products for welding, for example: butt joint
plates, beams, machine parts, pipes, tanks and various bodies of revolution.