Resultaten från försöksserierna är indelade i respektive rubriker nedan. Fullständigt parameterprotokoll, bilder av uppställningar och utvalda höghastighetsfilmer finns på bifogad DVD.
4.1 Materialdeformationer
Deformationer kan försvåra eller helt förstöra villkoren för lyckad svetsning. Under många experimenten skedde ofta deformationer som resulterade i att spalten vidgades mot slutet av provbiten. Om svetsprovet punktsvetsades innan svetsning erhölls mindre deformationer, vilka förutom ökad spaltstorleken, också ändrade förhållanden i höjdled.
Gentryt med laseroptik och MAG-pistol rör sig längs en förprogrammerad bana, där skillnader i höjd hos svetsgodset innebär ändringar i geometriska processparametrar.
Bland annat fokalavståndet för laser och avstånd mellan laser och MAG ändras (på grund av infallsvinklar) vilket förändrar processfönstret och kan leda till att ett godkänd svetsresultat förstörs. Figur 4.1 visualiserar med hjälp av skanner uppmätta deformationer för en svets. I bilaga 1 förklaras hur olika spaltstorlekar påverkar svetspölens strömningar som i sin tur avgör den resulterande svetskvaliteten.
Figur 4.1: Uppmätta och visualiserade deformationer av svetsat material
4.2 Fokallängd
Observerat och utvärderat subjektivt i laboratoriet under experimentens genomförande.
Har ej analyserats vidare.
Den fokallängd som visade sig få mest robusta resultat är 300 mm. En robust process var svår att få med 500 mm optiken, där problem med spontana droppbildningar på rotsida eller ej fullständig penetration visade sig. När optiken ändrades till 300 mm visade sig resultaten bli mer robusta. En teoretisk anledning till problemen kan vara att varm luft oregelbundet färdas uppåt i laserns riktning och resulterar i ett fokalskifte hos laserstrålen. En annan relaterad teoretisk anledning kan vara de metallångor som oregelbundet kommer mellan optiken och fogen som ska svetsas, vilka absorberar och reflekterar laserljus och effektivt minskar lasereffekten som når svetsgodset. Under svetsning uppstår ibland en synlig eldslåga som går upp mot laserhuvudet i laserns riktning, vilket innefattar båda teoretiska anledningarna. En studie har gjorts på detta i [11]. När brännvidden minskas blir också problemet mindre. Exempel på parametrar som använts vid försöken kan ses i Tabell 4.1. En observation är att rotsidan verkar vara opåverkad av skillnader i spaltöppning, så länge öppningen inte är alltför stor så det inte blir någon svets.
Tabell 5.1: Parametrar för fokallängdsbestämning.
Prov Laser parameters Spalt Utvalda MAG Parametrar
# Effekt Hastighet Fokal Fokal Effekt Pulstid
position längd
(kW) (m/min) (mm) (mm) (mm) (V) (ms)
1 10 1,9 -3 500 33,00 2,4
2 10 2,1 -3 500 33,00 2,7
3 8 2,1 0 300 0,5 topp, 0 rot 30,00 2,7
4 8 2,1 -3 300 0,45 topp, 0 rot 32,80 2,5
4.3 Fokallägesposition
Fokalläget testades först med enbart laser för att hitta intervallet där bäst genomträngning ges. Utifrån experimenten bedöms bästa resultaten bli när fokalläget (z ) ligger på 0
3mm
. Ett prov från fokallägestest med ren laser syns i Fig. 4.2.
Laserhybridsvetsning är en kombinerad process av laser och MAG och därmed skiljer sig från ren lasersvetsning, vilket medför att bästa resultat kan fås vid annat värde på z .0 Parametrar för några av dessa experiment syns i Tabell 4.2 och resultat i Fig. 4.3. För laserhybridsvetsning visades det att fokalpositionen styr storleken på nedsjunkningen vid svetsens rotsida. När fokalläget sänks blir nedsjunkningen mindre, för att bli nästan helt plant med plåtarna vid z0d5mm. Sänks z ytterligare blir nedsjunkningen istället en 0 insjunkning. När z0!5mm blir nedsjunkningen oönskat långt. z0 5mm ger i kombination med optisk brännvidd 300mm ger en robust rotsida som knappt har något utstick, vilket gör att optimering av övriga parametrar kan fokuseras till effekter som rör svetsens toppsida.
Figur 4.2: Fokallägestest för ren lasersvetsning.
2 mm
Tabell 4.2: Försöksparametrar för test av laserstrålens fokallägesplacering
Prov Laser parameters Spalt
Utvalda MAG Parametrar
# Effekt Hastighet Fokal Fokal Effekt Pulstid
position längd
(kW) (m/min) (mm) (mm) (mm) (V) (ms)
5 8 2,1 0 300
0,4 - 0,9 topp, 0 - 0,3
rot 32,80 2,5
6 8 2,1 -3 300 0,45 topp, 0 rot 32,80 2,5
7 8 2,1 -5 300 0,45 topp, 0 rot 32,80 2,5
8 8 2,1 -7 300 0,8 topp, 0 rot 32,80 2,5
Fokalposition z0 = 0 mm
z0 = -3 mm
z0 = -5 mm
z0 = -7 mm
Figur 4.3: Fokallägestest för laserstråle vid för laserhybridsvetsning
4.4 Svetsdiken
Förutom att få godkänd svetskvalitet enligt svetsklass B, så får inte heller defekten svetsdiken vara närvarande. Hur svetsdiken formas är idag inte fullt förstått [4], därför är det svårt att eliminera defekten och det krävs många experiment för att lyckas till slut lyckas åstadkomma svetsprover utan defekten. Figur 4.4(a) visar olika typer av svetsdiken [12] medan Fig. 4.4(b) visar svetstandardens bild av hur defekten ser ut och de olika geometrier som mäts för att bestämma svetsklass. Figur 4.5 visar experiment med olika identifierade svetsdiken.
Djupare analys av svetsdiken har blivit gjorda. I bilaga 2 finns identifiering av olika svetsdiken och i bilaga 3 förklaras mekanismerna bakom bildandet av dom.
Skarphörniga
(a)
Rundade
(b)
Figur 4.5: Identifierade typer av svetsdiken. (a) Svetsdiken med skarpa hörn och möjligtvis även innehållande bindfel. (b) Rundade svetsdiken
(a) (b)
Figur 4.4: (a) Svetsdiken enligt svetsstandard. (b) Olika sorters svetsdiken.
4.5 MAG före eller efter laser
Processen fungerar bättre när MAG ligger före laser vid den här tjockleken av material.
När laserstrålen ligger före MAG är processen känslig för spaltskillnader och striationer från gaslågskärningen (lasereffektförlust när strålen kommer ut på andra sidan fogen). Då MAG ligger före laser är processen mer förlåtande eftersom ljusbågen smälter en bredare yta och lägger ett smältbad som laserstrålen sedan träffar för att effektivt kunna göra ett nyckelhål utan effektförluster.
Avståndet mellan MAG och laser utvärderas ge bäst resultat på avståndet 3mm. Ligger laser närmare blir processen instabil, troligen för att nyckelhålet blir stört. Ligger lasern längre bort ökar mängden sprut.
Baserat på subjektiva utvärderingar av experimentgenomförande i laboratoriet och har inte analyserats vidare.
4.6 Svetshastighet
Svetshastigheten är den viktigaste svetsparametern sett ur produktionssynpunkt och därför är det önskvärt att ha den så hög som möjligt samtidigt som svetsresultaten är godkända. Svetshastigheten visar sig att ligga mellan 1,7-2,1m minoch samtidigt uppfylla villkoren. Några parametrar för försöken ses i Tabell 4.3 och tvärsnitt av de resulterande svetsarna i Fig. 4.6.
1,5 1,7 2,1 m/min
Figur 4.6: Tvärsnitt för svetsar med olika hastigheter Tabell 4.3: Parametrar där svetshastigheten ändras
Prov Laser parameters Utvalda MAG Parametrar
# Effekt Hastighet Fokal Fokal Spalt Effekt Pulstid Tråd Trådmatning
position längd tjocklek
(kW) (m/min) (mm) (mm) (mm) (V) (ms) (mm) (m/min)
9 8 1,5 0 300 0,5 top, 0 root 30,00 2,5 1 14
10 8 1,7 0 300 0,4 top, 0 root 32,80 2,5 1,2 12 11 8 2,1 0 300 0,4 top, 0 root 32,80 2,5 1,2 12
4.7 Lasereffekt
Eftersom lasereffekt är dyr i inköp är det önskvärt att minimera effekten utan att resultatet blir lidande. Denna parameter bedöms som viktigast i produktion näst efter
svetshastigheten. Effekten utvärderas ge bra resultat vid 8kW. Då ges bra rot och full genomträngning även när spalt är nära noll. Vid högre effekter märks ingen tydlig
skillnad, men om effekten minskas fås problem i form av droppbildning i svetsens rotsida eller ej fullständig genomträngning. Figur 4.7 visar foton tagna på prover med varierande svetshastighet.
2 – 7 kW
(a)
3,5 – 6 kW
(b)
6 – 15 kW
(c)
Figure 4.7: Varierande lasereffekt med (a) 2-7 kW, (b) 3,5-6 kW och (c) 6-15 kW
4.8 Bearbetade eller obearbetade ytor
Fogens insida är formad efter gasskärning. Denna yta har ett slags fransar, striationer, (mikrogeometri) och är täckt av ett lager med oxider som inte alltid är likadant för varje prov, Fig. 4.8(a). Störst påverkan på svetskvalitén har makroskopiska skillnader för proverna, Fig. 4.8(b). Dessa skillnader kommer sig av att plåtarna inte är fullständigt rakskurna eller böjda rakt. Striationerna från gasskärningen har också stor betydelse, eftersom de inte alltid är lika jämna är dessa också svåra att förutse effekten av. Genom att ha MAG före laser fångas laserstrålen upp i ett smältbad och får på så vis alltid ungefär samma penetrationsdjup. Är laser före förloras ofta lasereffekt genom att det delvis kommer igenom spalten p.g.a. makroskopiska och mikroskopiska spaltöppningar.
Oxiderna på ytorna från gasskärning ger högre tendens till droppbildning på svetsens rotsida jämfört med att ha dom avlägsnade.
Dessa skillnader gör att varje svets har nya villkor och direkta jämförelser är svåra att göra. Mängd tillsatstråd väljs till ett mellanvärde som krävs för bra resultat mellan minsta och största spaltsituation.
När projektet gick över till att göra försök för bryggan (case c) och frästa provbitar ( mm6 näs och mm4 v-fog 6o eller 12o) i slutet av projektet blir jämförelser lättare. Då
(a)
Material Spalt
(b)
Figur 4.8: (a) Ytgeometrimätning och fotobild av den gaslågeskurna ytan. (b) Spaltskillnader som kan förekomma mellan olika svetsprov.
kan också mängden tråd anpassas för att ge lämpligare fyllnadsvolym. Då testas också provbitar skurna med laser som jämförelse mot frästa kanter. De laserskurna plåtarnas oxidlager är så pass tunna att de bedöms endast ha en minimal påverkan på resultatet jämfört med frästa plåtar.
Förutom fogens inneryta finns även ett lager oxider på plåtarnas ovan- och undersida (valshud). I Fig. 4.9 visas tvärsnitt för prover med (a) respektive borttagen (b) valshud.
SEM-bild av svetskanterna med respektive utan valshud ses i Fig. 4.10. Skillnader mellan svetssituationerna analyseras djupare i bilaga 2 och formeringen av dom i bilaga 3.
Kortfattat om formeringen är att när valshud finns kvar jämfört med när den är borttagen, blir ljusbågen ostadigare, var droppar från tillsatstråd landar i urgröpningen kan svänga och variera, urgröpningsarean blir mindre och svetsens tåradie blir mindre (skarpare vinkel) samt att det är stor risk för bindfel. Dessa bindfel har avslöjats innehålla höga halter av mangan- och kiseloxider, Fig. 4.9(c).
Med valshud Borttagen valshud
(a) (b) (c)
Figur 4.9: Effekter av valshud på svetstvärsnitt, (a) med och (b) med borttagen valshud. (c) visar SEM bild av bindfelet i svetsdikesregionen i (a)
Med valshud Borttagen valshud
Grundmaterial Svetskant Svetsråge Grundmaterial Svetskant Svetsråge
Figur 4.10: SEM-bilder av svetskant med respektive utan valshud (bild tagen ovanifrån)
4.9 Effekt på svetsdiken för olika trådsorter
De trådsorter som testats i jämförelsen är ESAB OK Autrod 12.64, Avesta P16 (nickelbaserad) och Loncoln Electric SupraMIG. Utvärderingar för experimenten tyder på att Lincoln-tråden ger bättre resultat än ESAB-tråden. Varför det förhåller sig så är oklart och djupare analys kan behövas. Notera att i fallet med OK Autrod är mängden tillsatsmaterial överdimensionerat eftersom provet gjordes i tidigare försöksserie där kompensation för varierande spalt gjordes. Den nickelbaserade tråden ger ett till synes mycket bra resultat med undantag av några få märkliga droppar vid rotsidan. Materialdata kan ses i Tabell 4.4. Exempel på svetsar gjorda med de olika trådarna syns i Fig. 4.11. En anledning till att svetsdikena försvinner med den nickelbaserade tråden tros vara att det är mindre ström som tillsätts processen. Smälttemperaturen för järn är 1535o C, medan den för nickel är 1455o C. En annan anledning är att skyddsgas Argon används istället för Mison8, vilket ger en bredare ljusbåge än de andra trådarna. I Fig. 4.12 kan en stillbild från höghastighetsfilmning för den nickelbaserade tråden ses.
ESAB OK Autrod 12.64
Avesta P16 (nickelbaserad)
Lincoln SupraMig Ultra
Figur 4.11: Exempel på resultat för olika svetstrådar.
Tabell 4.4: Materialinnehåll för svetsgods och de olika trådtyperna
Material Komponent (angivet i viktprocent [%]) Balans är Fe (järn)
C Si Mn P S Al Nb V Ti Cr Ni Mo Nb
Domex 420 MC D 0,1 0,03 1,5 0,025 0,01 0,015 0,09 0,2 0,15 OK Autrod 12.64 0,1 1 1,7
P16 0,01 0,1 0,2 25 60 15 0,1 SupraMIG Ultra 0,08 0,9 1,7
4.10 Flussmedel för att få jämnare svetsövergång
Flussmedel kan användas för att skydda svetsen och förhoppningsvis få jämnare övergång mellan svetsen och basmaterialet. Detta är ett försökt att minska tendens till svetsdiken. Experimentet misslyckades och två anledningar för detta kan finnas; 1: För tunt pulverskikt ovanpå fogen. Om skiktet med pulver är tjockare kan det möjligen mer pulvermaterial hamna i svetspölen. 2: Polariteten på MAG-aggregatet gör så att pulverkornen skjuts bort från elektroden (MAG-tråden), Fig. 4.13. Om polariteten vänds så kommer sannolikt pulvret att skjutas ner i smältpölen istället. ESAB OK Flux 10.71
Figur 4.12: Stillbild från höghastighetsfilm som visar hybridsvets med nickelbaserad tråd
Fig. 4.13: Stillbild från höghastighetsfilmning med pulver lagt på ytan.
4.11 Godkända resultat för olika trådar
När fiberlaser används i hybridsvetsning med MAG har det under experimenten visats att de inbyggda synergi-inställningarna i ESAB-aggregatet fungerar bra, till skillnad från vad som annars är brukligt vid laserhybridsvetsning med CO2-laser där MAG-parametrarna måste justeras. Parametrar för godkända resultat för de olika trådarna kan ses i Tabell 4.5.
I figur 4.14(a-c) kan topp och rot-svetsar ses för respektive OK Autrod 12.64, Avesta P16 och SupraMIG Ultra. Resultaten för SupraMIG utvärderas vara bäst, följt av P16 och sedan OK Autrod 12.64 (notera att P16 är ett dyrt trådval). Gemensamma parametrar för svetsarna är:
x Laserpositionering: 7ostickande, positionerad 3 mm efter MAG x MAG-parametrar: utstick 20 mm, tråddiameter 1,2 mm
x Vid samtliga godkända svetsar har valshuden slipats bort vid området som ska svetsas
x Fog: Fräst inneryta som bildar Y-fog med 6o (12o) V-fog 6 mm djup, stumfog 4 mm djup
Tabell 4.5: Parametrar för godkända svetsresultat med olika trådtyper i följande ordning, OK Autrod 12.64, Avesta P16, SupraMIG Ultra
Prov Laser parametrar Utvalda MAG Parametrar
# Effekt Hastighet Fokal Fokal Skyddsgas Effekt Frekvens Ström Bakgrunds Tråd Pulse position längd ström matning time
Figur 4.14: Exempel på godkända svetsar för olika trådtyper
4.13 Fullskaletest
För att verifiera att försöken som utförts går att uföra industriellt har vi utfört fullskaletest där en hel axel, tagen direkt från produktionslijen, svetsats med de parameterinställningar som fungerade bäst för de mindre provbitarna (med tråd OK Autrod 12.64). Dessa tester visar att metoden fungerar, dock krävs ytterligare kalibrering av framförallt den gasskärutrustningen som används i dagsläget, för att en tillfredställande kvalitet på snittytan skall erhållas.
Figur 4.15 visar uppställningen där MAG-pistolen är placerad före lasern. Den kompletta bakaxeln är inspänd i en fixtur för att hålla den i rätt position under svetsning.
Figur 4.15: Uppställning för fullskaletest
Makrofoto av svetsresultat toppsida och rotsida kan ses i Fig. 4.16(a),(b) och i Fig.
4.16(c) finns tre tvärsnitt som går att finna längs svetsen. Svetsutseendet varierar mellan dessa tre utseenden beroende på längdposition på bakaxel; 1:a visar hur det ser ut där fogen har raka kanter och bara ett litet gap (0,1 - 0,3 mm). 2:a visar hur fogen ser ut där fogen har ett större gap (0,5 - 1,0 mm). 3:e visar hur fogen ser ut där fogen har det största gapet (1,0 - 2,5 mm)
(a) (b)
(c)
Figur 4.16: (a) Makrofoto av svetsresultat toppsida. (b) Makrofoto av svetsresultat rotsida. (c) Svetsutseende varierar mellan dessa tre utseenden beroende på längdposition på bakaxel
Det finns även positioner då det inte har skett någon svetsning alls och dessa är framförallt vid övergången mellan fyrkantprofil till rund profil.