Hybridsvetsning av lastbilskomponenter med 15 kW fiberlaser och MAG

TEKNISK RAPPORT

Hybridsvetsning av lastbilskomponenter med 15 kW fiberlaser och MAG

ISSN: 1402-1536 Luleå tekniska universitet 2010

Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för produktionsutveckling

Hybridsvetsning av lastbilskomponenter med 15 kW fiberlaser och MAG

ISSN: 1402-1536 ISBN 978-91-7439-XXX-X Se i listan och fyll i siffror där kryssen är

TEKNISK RAPPORT

Hybridsvetsning av lastbilskomponenter med 15 kW fiberlaser och MAG

Jan Karlsson Peter Norman Hans Engström

Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för produktionsutveckling

Jan Karlsson

Peter Norman

Hans Engström

Hybridsvetsning av lastbilskomponenter med 15 kW fiberlaser och MAG

Jan Karlsson Peter Norman Hans Engström

Ett forskningsarbete finansierat av Norrbottens Forskningsråd och Ferruform AB

December 2010

Luleå tekniska universitet

Avdelning för produktionsutveckling

Tryck: Universitetstryckeriet, Luleå ISSN: 1402-1536

ISBN 978-91-7439-200-5 Luleå 2010

www.ltu.se

Sammanfattning

Ferruform AB använder idag MAG- ljusbågssvetsning i produktion av balkar och konsoler. För att fortsätta vara starka på marknaden inom sitt segment måste Ferruform ligga i fronten för produktionseffektivitet och kvalitet och svetsning är en nyckelteknik för företaget.

Laserhybridsvetsning, som är en kombination av laser och ljusbågssvetsning (t.ex. MAG) är en kompromiss som kombinerar fördelarna av bägge metoderna.

Ett samarbetsprojekt mellan LTU och Ferruform AB, med finansiering från Norrbottens Forskningsråd har därför genomförts med mål att utveckla applikationer för laserhybridsvetsning. Av fyra utvalda komponenter, har arbete genomförts på stödbalk och brygga.

Vi har för detta projekt använt oss av en 15kW Fiberlaser som vi har kombinerat med MAG ljusbåge för att skapa en hybridprocess. Processen har utvärderats genom att använda höghastighetsfilmning tillsammans med analys av tvärsnitt. Höghastighetsfilmningen har använts för att tolka smältrörelser och förstå hur defekter uppkommer. Tvärsnitt som tagits ut från proverna har analyserats med optisk mikroskopi, svepelektronmikroskop (SEM) och även SEM med Energy Dispersive X-ray microscopy (EDX) för att ta reda på så mycket som möjligt om händelseförloppet.

Svetsningarna har utförts på ett systematiskt sätt för att så mycket som möjligt av underlaget skall kunna utvärderas. De data som skapats har sparats i en databas tillsammans med bilder av rot och topp-sida.

Utifrån all data, information och den kunskap som skapats har följande slutsatser dragits:

x För att åstadkomma bra svetsar (svetsklass B) krävs det att valshud tas bort och med fördel att fogens innerytor är bearbetade.

x Godkända svetsar kan erhållas vid svetshastighet av 2,0 m/min, vilket är målet för svetshastighet

x Används fogföljare kan fogvolym kontinuerligt beräknas och parametrar (t.ex. trådmatning, svetshastighet, effekt) anpassas längs med fogen som ska svetsas. Bearbetning av innerytorna kan då eventuellt undvikas.

x Val av tillsatsmaterial har betydelse för svetskvalitén. SupraMIG ger en jämnare övergång mellan grundmaterial och svets än OK Autrod 12.64. Avesta P16 (nickelbaserad) ger ett mycket bra resultat, men detta är troligtvis på grund av att lägre effekt tillförs.

x När laserskurna provbitar användes noterades inga direkta skillnader mot de frästa provbitarna, vilket kan vara ett alternativ för produktion.

x Stödbalken (case b) kan bara laserhybridsvetsas ifall valshud tas bort och alternativt antingen fräsa innerytorna eller använda fogföljare för adaptiv process.

x Bryggan går med fördel att laserhybridsvetsa, men för godkända svetsar krävs det att valshuden tas bort.

x Dessa experiment har gett en ny förståelse för hur svetsdiken uppstår vid

laserhybridsvetsning, vilket eventuellt också är överförbart till traditionell MAG-svetsning.

Innehållsförteckning

1. Inledning... 7

1.1 Mål ... 8

1.2 Avgränsningar ... 9

1.3 Projektorganisation... 9

2. Metod ... 10

2.1 Laserhybridsvetsning ... 10

3. Genomförda försök ... 12

3.1 Experimentell uppställning ... 12

3.2 Motivering experimentserier ... 13

3.3 Översiktstabell för experiment ... 16

4. Resultat... 17

4.1 Materialdeformationer... 17

4.2 Fokallängd ... 18

4.3 Fokallägesposition... 19

4.4 Svetsdiken ... 21

4.5 MAG före eller efter laser ... 22

4.6 Svetshastighet... 23

4.7 Lasereffekt... 24

4.8 Bearbetade eller obearbetade ytor ... 25

4.9 Effekt på svetsdiken för olika trådsorter ... 27

4.10 Flussmedel för att få jämnare svetsövergång ... 28

4.11 Godkända resultat för olika trådar... 29

4.13 Fullskaletest... 30

5. Generalisering ... 32

5.1 Metoder för informationshantering ... 32

5.1.1 BifurcationalFlowChart, BFC ... 34

5.1.2 Matrix Flow Chart, MFC ... 36

6. Slutsatser ... 37

7. Publikationer i projektet ... 38

7.1 Publikationslista ... 38

8. Referenslista ... 41

9. Bilagor ... 42 [1] Journal of Physics D:Applied Physics

[2] Applied Surface Science [3] Applied Surface Science

[4] Science and Technology of Welding and Joining

[5] Proc. of the LANE2010 Conference

1. Inledning

Ferruform AB använder idag MAG- ljusbågssvetsning i produktion av balkar och konsoler.

För att fortsätta vara starka på marknaden inom sitt segment måste Ferruform ligga i fronten för produktionseffektivitet och kvalitet. Svetsningen är en nyckelteknik för företaget. Ferruform är mycket intresserad av hightech metoder som lasersvetsning och laserhybridsvetsning eftersom det är metoder som kan höja deras produktivitet och kan möjliggöra en mer innovativ produktutveckling.

Idag har Ferruform två stora linjer som lasersvetsar hjulaxlar till en bakaxelbrygga. Denna svetsning gjordes tidigare med MAG- och friktionssvetsning. Produktiviteten ökades betydligt (högre svetshastighet, mindre fräsning som efterbearbetning) kort tid efter installationen.

Lasersvetsning har hög potential med avseende på produktivitet och kostnader. Eftersom lasersvetsning har nackdelen att spalter inte kan överbryggas så är laserhybridsvetsning, en kompromiss som kombinerar fördelarna av bägge metoderna. Laserhybridsvetsning är än så länge en metod som inte används i någon större utsträckning. Metoden saknar den erfarenhet och trygghet som behövs för att implementeras i större skala och behöver därför ytterligare utforskas.

Jämfört med MAG/UP-svetsningen, se tabell 1.1, är Ferruform AB intresserade av laserhybridsvetsning framförallt av två orsaker:

ƒ Högre svetshastigheter än vid enbart MAG svetsning

ƒ Undvika rotstöd

Jämfört med ren lasersvetsning föredras hybridsvetsning av följande orsaker:

ƒ Större feltoleranser vid fogberedning kan tillåtas jämfört med ren lasersvetsning

ƒ Man får en bredare toppyta där man kan kontrollera geometrin på denna. Detta ses som fördelaktigt/robust i förhållande till utmattningshållfastheten.

Ett samarbetsprojekt mellan LTU och Ferruform AB, med finansiering från Norrbottens Forskningsråd har därför genomförts med syfte att utveckla applikationer för laserhybridsvetsning. Av speciellt intresse för hybridsvetsning är möjligheten att använda den nya fiberlasertypen med sina utmärkta egenskaper.

Fyra komponenter blev utvalda för dess potential till byte av svetsmetod, figur 1.1.

Tre av komponenterna för laserhybridsvetsning är balkar, monterade tvärsöver lastbilen, som är snarlika i konstruktionen. Alla är U-formade detaljer med fogytor som idag bearbetas fram med gasskärning eller fräsning. Två spegelvända delar fogas samman till en färdig produkt med olika svetsmetoder: pulverbågsvetsning eller MAG-ljusbågsvetsning.

Alla dessa tre applikationer kräver en extra del och tillhörande operation genom att det

behövs ett rotstöd. Den fjärde produkten är en konsol, som idag MAG-svetsas. Detta är en

högvolymprodukt som också har potential för hybridsvetsning.

Figur 1.1: Fyra utvalda komponenter för laserhybridsvetsning. Fr. v. ”bananbalk”, stödaxel, brygga och konsol.

Data för de utvalda komponenterna presenteras också i tabell 1.1. De två stora volymapplikationerna är bryggan och konsolen som tillsammans tillverkas i ca. 370 000 exemplar per år. Båda applikationerna svetsas idag med MAG med en total svetslängd på 290 km per år.

Tabell 1.1 Sammanställning för de fyra olika applikationer i projektet Egenskap\Produkt Balk 1 ”Banan” Balk2

”Stödaxel”

Balk 3 ”Brygga” Konsol

”Korvbröd”

Svetslängd/detalj 3m 3m 2m 0,5m

Antal/år Ca 7000 Ca 7000 Ca 70 000 Ca 300 000

Total svetslängd 21 km 21 km 140 km 150 km

Svetsmetod MAG Pulverbåge MAG CU-rot MAG

Fogtyp Stumfog Stumfog Y-fog Kantfog

Tjocklek 9mm 7mm 10-12mm 3+6mm

Fogberedning Fräst+spalt Gasskuret Fräst 2ggr Klippt

Tråd kostnad 400 kkr/år - 3 mkr/år 3 mkr/år

För att kunna svetsa de olika applikationerna i tabell 1 är det några förutsättningar som måste uppfyllas:

x Svetshastighet för att uppnå produktionsmål x Effekt för att penetrationsdjupet skall uppnås x Utmattningshållfasthet i svetsfogen

1.1 Mål

Målet med detta projekt var att med moderna metoder utforska möjligheten att använda

en ny typ av svetsning, nämligen hybridsvetsning med kombinationen fiberlaser och MAG,

på fyra applikationer från Ferruform, se figur 1.1. Applikationerna är utvalda för dess

potential till byte av svetsmetod.

Delmålen var att:

- ta fram ett parameterområde med bra hybridsvetsresultat för varje av de fyra applikationerna och motsvarande kunskap för att undvika svetsdefekter

- kunskap ska hanteras på ett nytt, mer tydligt och överförbart sätt än vanligt genom nya metoder. Det underlättar företagsinternt att återanvända resultat för olika applikationer och att ha kontroll på svetskvaliteten.

1.2 Avgränsningar

Projektmedel söktes för tre år men bara arbete för ett år beviljades. Därmed måste arbetet fokuseras på färre antal komponenter och då valdes stödaxeln och bryggan som lämpliga komponenter.

1.3 Projektorganisation

Projektet har organiserats med en operativ projektgrupp med representanter från LTU och Ferruform, samt en styrgrupp med representanter från Ferruform. Projektgruppen har haft 8 protokollförda möten och styrgruppen tre stycken.

Deltagare i projektgruppen har varit:

Bertil Gustafsson, Ferruform AB Jan Karlsson, LTU

Roger Broström Peter Norman

Bo Johansson Hans Engström

Jennie Söderlind Tapani Juntonen Ove Lindqvist Majsan Bergman Erik Tolf, Scania

Styrgruppen har bestått av:

Ove Bryggman, Ferruform Lars Wallgren

Mikael Karlsson

2. Metod

Projektet fokuserade på att hitta optimala parametrar för de fyra potentiella applikationerna hos Ferruform. Det som skiljde sig från vanlig parameteroptimering är att höghastighetsfilmning användes som en kraftfull stödmetod och att kunskap dokumenterades på ett generaliserat sätt så att varje applikation kunde ”lär sig av varandra”. Speciellt skulle filmningen leverera kvantitativ information.

2.1 Laserhybridsvetsning

Det har varit känt i många år att kombinationen av en laserstråle och en ljusbågsvets (t.ex.

MIG, MAG och TIG) medför att många av de fördelar man har med de olika processerna sammanförs. Vid hybridsvetsning med laser-MAG, se figur 2.1, får man en djup penetration (pga laser, sk laserfinger) med en bredare toppyta (pga MAG), se figur 2.2(a), och samtidigt en lägre värmetillförsel då hastigheten är betydligt högre än vid ren MAG svetsning. Hybridsvetsningen ger en god spaltöverbryggning och metoden kan även bli billigare än ren lasersvetsning då MAG-effekten gör att en lägre effekt behövs på lasern.

Figur 2.1: Laserhybridsvetsning, princip

(a) (b) Figur 2.2. (a) typiska utformningsmöjligheter av en fog genom hybridsvetsning (VAMP27, 2002), (b) undersökning av brottmekanik av en hybridsvetsad fog (Norrbottens Forskningsråd, 2004) [Wouters, 2005, 2006; Kaplan 2009 ]

Fördelarna med laserhybridsvetsning jämfört med ren lasersvetsning är:

x Högre svetshastighet

x Lägre kapitalkostnad, sänks med 30-40% eftersom lägre lasereffekt behövs x Lägre krav på fogberedning

x Kontroll av fogbredden och fogens utformning, figur 3(a)

x Möjlighet att kontrollera de metallurgiska egenskaperna genom tillsatstråd Nackdelar:

x Endast fåtalet användare, med andra ord så saknas det trygghet i processen x Många parametrar att optimera

x Svårigheter vid komplexa geometrier

Dock finns det ett fåtal användare internationellt som använder denna metod industriellt i

en mycket stor skala. Meyer Shipyard (Tyskland, bygger stora passagerarskepp)

hybridsvetsar 50% (snart 75%) av 900 km/skepp, som genom denna metod undviker

dyra deformationskorrekturer (30% av produktionskostnader). I Sverige är det bara Duroc

Rail i Luleå som använder det industriellt, dessutom har ESAB ett labb för sina kunder.

3. Genomförda försök

Utrustning som använts:

x Laser, IPG Photonics Yb:Fiberlaser 15kW, 1070nm, BPP 10,4 mm

mrad x MAG, ESAB LUD450W med ett A10 MEK44C matarverk

x Höghastighets kamera, Redlake HS-X3, 2000 bilder/s med full upplösning x Belysningslaser, Cavitar, 808nm med bandpassfilter till kameran

x Profilmätare, ServoRobot Smart-20, upplösning 23m vertikalt och 30 bilder/s horisontellt

x Materilaprover, tjocklek 10mm, S420MC, kallformningsstål x Provserier

o Utskurna bitar av axlar direkt från produktionlinjen o Utskurna bitar med behandlade fogytor

ƒ Laserskurna

x Slipad topp och rot x Obehandlad topp och rot

ƒ Frästa

x Slipad topp och rot x Obehandlad topp och rot

Projektet inleds med att utvärdera ifall det är möjligt att utan extra bearbetning av det gaslågeskurna svetsgodset åstadkomma godkända svetsar. Extra bearbetning består i att ta bort oxider som befinner sig på godsplåtarna efter valsning samt att fräsa innersidorna så de är helt symmetriska och utan oxider. Svetsgodset är format till en stödbalk (NoFo case b) och därefter avkapade till mindre bitar för provsvetsning i laserlab. Mot projektets slut går försöken över till att svetsa provbitar för bryggan (NoFo case c) som har samma material och godstjocklek som stödbalken och endast skiljer sig svetsmässigt genom att de har frästa innersidor (d.v.s. bearbetat svetsgods). Eftersom de olika godsmodellerna (stödbalk och brygga) är lika sett ur svetssynpunkt kan de testas och utvärderas i samma försöksserie, där förbearbetning blir ytterligare en parameter. Eventuella deformationer av svetsgodset kan dock göra processen mer komplex och skilja de båda svetsgodsen åt när de svetsas i fullskala.

Stödbalken anses som det svåraste av de fyra fallen inom ramarna för projektet så projektet började med att undersöka svetsförhållanden för den. Eftersom projektet inte förlängts som planerat så har förhållanden för bryggan inte fullt analyserats samt att försökt inte påbörjats för bananbalk och konsol.

3.1 Experimentell uppställning

Den experimentella uppställningen kan ses i Fig. 3.1(a). I Fig. 3.1(b) syns en (exempel)

fog sedd från sidan innan svetsning och i Fig. 3.1(c) kan kamerans uppställning ses.

Testplåtarnas storlek medför arbetsmoment som fixturering och linjering inför varje prov, som är tidsödande. Plåtarna är kallformade och gasskurna, vilket medför problem för bedömning om hur mycket tråd som ska användas, vilket blir en kompromiss mellan bästa och värsta fallen. Eftersom plåtarna varierar så mycket (gapstorlek, skärningsstriationer, deformationer mm.) försvåras analys av resultaten och oftast är endast subjektiv utvärdering möjlig.

3.2 Motivering experimentserier

Effekten av laserns optiska brännvidd testas för att olika brännvidder har olika strålgeometrier. Brännvidder som testas är 300 mm och 500 mm, Fig. 3.2. Dessa geometrier har effekt på effekttätheten för laser i fokus och som i sin tur påverkar strömningar i smältpölen. En lins med 300 mm brännvidd ger ett kortare fokaldjup och mindre fokaldiameter (högre effekttäthet) än 500 mm optik. Var fokalpunkten placeras

(a) (b)

(c)

Figur 3.1: Försöksuppställning (a) med provbitar (b) och uppställning av

höghastighetskamera (c).

påverkar också svetsresultatet eftersom strålgeometrin förflyttas och ändrar i sin tur hur materialet i fogen smälts och flödet i smältpölen, vilket kan resultera i varierande svetsgeometrier.

Svetshastigheten är i mycket i produktionssynpunkt en ekonomisk fråga. Snabbare svetsar kan öka produktionen. Svetshastighet är ofta kopplat till lasereffekt i fråga om hur djupt som går att svetsa. Lasereffekt är dyr i inköp och är delvis också därför en ekonomisk fråga. Tillräcklig lasereffekt krävs för att få fullständig genomträngning.

Erfordrad effekt ökar vid ökad svetshastighet. Ökad svetshastighet innebär dock en ökad trådmatning för att bibehålla samma fyllnadsvolym i spalt och ökad effekt för MAG- aggregatet för att hinna smälta denna extra volym. Just svetshastighet är känt vid ljusbågssvetsning för att ge upphov till olika defekter, såsom svetsdiken [4, 5].

Ett mål för projektet är att åstadkomma godkända svetsar och samtidigt ej behöva bearbeta ytorna på svetsgodset innan svetsning, eftersom bearbetning innebär ett extra produktionssteg och ökade kostnader. Många försök har därför gjorts på obearbetade provbitar. Att svetsa med obearbetade fogar (gaslågeskurna) och kallformade plåtar (inte alltid samma vinklar) innebär komplikationer på grund av skillnader i geometri av mikro- och makrostorlek. Skillnader i mikrogeometri kommer från gaslågeskärningen som formar små striationer (fransar) längs de skurna sidorna. Striationerna är inte alltid av samma storlek och innebär små skillnader i spaltvolym och storlek längs fogen som ska svetsas. Gaslågeskärningen är inte heller helt exakt och skillnader i hur rakt plåtarna är skurna resulterar i makroskopiska skillnader i spaltstorlek för fogen längs dess utsträckning. Kallformningen ger också små vinkelskillnader mellan proverna vilket resulterar i spaltvinkelskillnader och även ibland höjdskillnader av fogens kanter.

Förutom oxiderna längs de gaslågeskurna spaltväggarna inne i fogen, har stålet dessutom ett lager med oxider som i folkmun benämns valshud. Lagret kommer från valsning [6]

där oxiderna är en blandning av FeO, Fe

O

och Fe

O

(magnetit) och är känt för att vara

svårbearbetat genom att det bl.a. orsakar svetsdefekter, t.ex. svetsdiken [7]. Förutom vid

Figur 3.2: Laserstrålgeometrier, skillnad mellan 300 mm och 500 mm brännvidd för

optiken

svetsning där valshud har negativa effekter, är den känd för att ge plåtar högre korrosionsmotstånd.

Höghastighetsfilmning av processen har använts för många av experimenten (med varierande resultat). Med denna metod kan man med goda förutsättningar titta rakt in i svetsprocessen utan att störas av svetsljus och vara begränsad av att använda sig av hörseln för att försöka uppfatta vad som händer i processen. I Figur. 3.3 visas en stillbild från höghastighetsfilmningen som resulterar i en godkänd svets. I figuren är även de olika områdena i svetsen beskrivna. Med hjälp av dessa filmer kan processen förstås på en djupare nivå eftersom det är lätt att se hur trådmaterialet överförs till smältan och hur smältan stelnar till en fog. Många fenomen vid svetsningsprocessen kan verifieras och identifieras, såsom svetssprut, oxidbildning, materialflöde och lasernyckelhålets dynamik.

Spaltvariationer i fogen, skärmetoden (ger striationer i fogen) och materialets tjocklek påverkar resultaten olika beroende på om laser ligger före eller efter MAG. Avstånd mellan laser och MAG har också betydelse eftersom värmeegenskaper och strömningar i svetsprocessen förändras. För att klara varierande spaltavstånd och samtidigt åstadkomma godkänd rot- och toppsida på svetsen är positionering för MAG och laser några av de viktigaste parametrarna. Eftersom fiberlasersvetsning inte ger upphov till ett plasmamoln så interagerar processerna inte på samma sätt som i fallet där CO

-laser kombineras med MAG. Val av svetstråd kan också påverka termiska egenskaper och smältflödet.

Krav för godkända svetsar är förutom att de ska uppfylla svetsstandard klass B [8], ska det inte finnas några svetsdiken eftersom svetsdiken ofta inducerar svetsbrott [9, 10].

Figur 3.3: Höghastighetsfilm för godkänd svets med MAG före laser i färdriktningen. I

bilden syns tillsatstråden, urgröpningen från ljusbågen, nyckelhålet samt smält och

stelnat material.

3.3 Översiktstabell för experiment

Försöksserierna innefattar följande områden:

x Optimering av laser o Lasereffekt o Fokalläge o Svetshastighet o Fokallängd

x Optimering processamverkan

o MAG före laser eller laser före MAG o Avstånd laser-MAG

x Uppmätning av deformationer x Bearbetning av provbitar före svets

o Innerytor

ƒ Obearbetade innerytor

ƒ Laserskurna innerytor

ƒ Frästa innerytor o Plåtens ovansida

ƒ Valshud kvarlämnad

ƒ Borttagen valshud x Eliminering av svetsdiken

o Trådtyp

o Flussmedel

4. Resultat

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

3 mm

 . 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 .

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 z

d  5 mm . Sänks z ytterligare blir nedsjunkningen istället en

insjunkning. När z

!  5 mm blir nedsjunkningen oönskat långt. z

 5 mm ger i kombination med optisk brännvidd 300 mm 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 z

= 0 mm

z

= -3 mm

z

= -5 mm

z

= -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 3 mm . 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 - 2,1 m min och 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 8 kW . 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 ( mm 6 näs och mm 4 v-fog 6

eller 12

) 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 1535

C, medan den för nickel är 1455

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 CO

-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: 7

stickande, 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 6

(12

) 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 (kW) (m/min) (mm) (mm) (L/min) (V) (Hz) (A) (A) (m/min) (ms) 12 8 2,1 -5 300 25 (Mison8) 37,00 214 480 120 12 2

13 8 1,9 -5 300 25 (Argon) 32,20 118 492 68 9 2,5

OK Autrod 12.64

(trådmängd överdimensionerad)

(a)

Avesta P16

(b)

Lincoln SupraMIG

(c)

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.

5. Generalisering

För att underlätta arbetet med uppställning av olika försök, körning av olika parameterset och tolkning av resultat så har vi utvecklat olika sätt att hantera all den information som skapas vid alla försök. Med information menas inte bara ren data, alltså sådant som kan mätas och skrivas ned på olika sätt utan också den kunskap som skapas vid varje tillfälle. De olika metoder att spara information som vi tagit fram beskrivs i följande kapitel.

5.1 Metoder för informationshantering

Genom att visa information, som fås genom de försök som utförts, på rätt sätt kan man underlätta tolkning av den och även göra det möjligt att på ett bredare sätt använda den i fortsatta försök. Utifrån en databas, Figur 6.1, där all relevant data samlas, bearbetas informationen till en förenklad form som ser ut på olika sätt beroende på vad man vill få fram. I Figur 5.1 visas den mångfald av information som på ett eller annat sätt sparas i databasen. Högst upp syns ett utdrag ur databasen där parametrar för inställning av svetsutrustning och övervakningsutrustning sparas, under denna visas resultat från före och efter körning, det är bland annat foggeometrier och ytbeskaffenhet, mätning av svetsresultatet med hjälp av en projicerad laserlinje och kamera, SEM och EDX analys och även höghastighetsfilmer som visar själva förloppet. I projektet har vi utgått från BFC som beskrivs i nästa kapitel och skapat en ny BFC, som beskrivs i samma kapitel och även olika varianter av en MFC som beskrivs i kapitlet MFC

Figur 5.1 Grunddatabas

5.1.1 BifurcationalFlowChart, BFC

Det första schemat, Figur 5.2, som togs fram beskriver på ett överskådligt sätt en hypotes om varför en defekt, i detta fall för liten svetsbredd, skapas. Som bakgrundsdata används höghastighetsfilmning, expertkunskaper om smältbeteende, tvärsnittsbilder på svets och rena processdata som hastighet, effekt, o.s.v.

Figur 5.2 BifurcationalFlowChart (BFC)

Den stora fördelen med det här schemat är att det är lätt att jämföra olika fall där resultatet, alltså defekten, är densamma. För att jämföra två olika utgångslägen där man får två olika utfall har vi istället använt oss av en utvecklad variant av BFC som vi kallar

”New BFC”, Figur 5.3.

Figur 5.3 New BFC

I Figur 5.3 beskrivs de två olika fallen för när man svetsar utan att ta bort yt-oxiden och när den är borttagen. I figuren beskrivs svetsförloppet med hjälp av höghastighetsfilmer, tvärsnittsbilder, SEM (ScanningElectronMicroscope) och även EDX (energy-dispersive X-ray spectroscopy). Med höghastighetsfilmen ses förloppet hos ljusbågen och hur smältan rör sig under stelning. Tvärsnittsbilder visar inre defekter, ger information om avsvalning och andra geometriska data. SEM ger högupplösta och kraftigt förstorade avbildningar av mindre ytor i tvärsnittet eller på ytan, dessa bilder har i vissa fall kompletterats med en EDX analys för att visa på sammansättningen i materialet.

5.1.2 Matrix Flow Chart, MFC

Den tredje varianten av scheman är den så kallade MatrixFlowChart(MFC). Den finns också i ett antal varianter beroende på vad man vill visa. I Figur 5.4 visas en MFC med svetsparametrar som påverkar geometriska svetsdefekter. Utifrån databasen, Figur 5.1, och de tvärsnitt som tagits ut för motsvarande körningar dras samband fram för att ett specifikt utseende hos svetsen skall uppnås. Om resultatet blir en svets med för lite material på toppsidan, utan att det har bildats rotvulst, kan man genom att antingen sänka ner fokalläget på laseroptiken, eller, genom att höja strömmen på MAG:en, motverka denna defekt och uppnå ett godkänt resultat. Genom att använda sig av den samlade kunskapen av de körda experimenten på detta sätt så kan expertkunskap spridas i företaget på ett helt annat sätt. Det är tänkt att all data kan spåras tillbaka till varje enskilt svetsförsök för att det skall vara möjligt att förändra informationen då kuskapen i ett specifikt fall förändras.

Figur 5.4 MatrixFlowChart (MFC)

6. Slutsatser

x För att åstadkomma bra svetsar krävs det att valshud tas bort och med fördel att fogens innerytor är bearbetade.

x Godkända svetsar kan erhållas vid svetshastighet av 2,0 m/min, vilket är målet för svetshastighet

x Under alla förutsättningar så ska valshuden tas bort för att åstadkomma godkända svetsar enligt svetsklass B.

x Används fogföljare kan fogvolym kontinuerligt beräknas och parametrar (t.ex.

trådmatning, svetshastighet, effekt) anpassas längs med fogen som ska svetsas.

Bearbetning av innerytorna kan då eventuellt undvikas.

x Synergiinställningar på MAG fungerar tillfredsställande tillsammans med använd fiberlaser

x Val av tillsatsmaterial har betydelse för svetskvalitén. SupraMIG ger en jämnare övergång mellan grundmaterial och svets än OK Autrod 12.64. Avesta P16 (nickelbaserad) ger ett mycket bra resultat, men detta är troligtvis på grund av att lägre effekt tillförs.

x När laserskurna provbitar användes noterades inga direkta skillnader mot de frästa provbitarna, vilket kan vara ett alternativ för produktion.

x Stödbalken (case b) går endast att laserhybridsvetsas ifall valshud tas bort och alternativt antingen fräsa innerytorna eller använda fogföljare för adaptiv process.

x Bryggan går med fördel att laserhybridsvetsa, men för godkända svetsar krävs det att valshuden tas bort.

x Dessa experiment har gett en ny förståelse för hur svetsdiken uppstår vid

laserhybridsvetsning, vilket eventuellt också är överförbart till traditionell MAG-

svetsning.

7. Publikationer i projektet

I projektet har ett flertal publikationer blivit publicerade eller är inlämnade för publicering.

Antalet tidskriftspublikationer är 4st och antalet konferenspublikationer är 1st.

7.1 Publikationslista

Endast titel och en sammanfattning tas upp i detta kapitel. Då publiceringstiden för en tidskriftsartikel är ca 6 månader finns endast konferensartikeln publicerad. Endast utkast till de övriga bifogas.

[1]

Tidskrift: J. Phys. D: Appl. Phys.

Titel: Redistribution of the melt flow by edge tolerances in laser hybrid welding Författare: J Lamas

, J Karlsson

, P Norman

, A F H Kaplan

and A Yañez

1

Centro Tecnol´oxico do Naval Galego, Ferrol 15590 (A Coruña) Spain E-mail: jlamas@udc.es

2

Luleå University of Technology, Dept. TFM, SE-971 87 Luleå, Sweden E-mail: jan.karlsson@ltu.se

3

Centro de Investigaci´ons Tecnol´oxicas, Universidade da Coruña, Ferrol 15403 (A Coruña) Spain E-mail: ayanez@udc.es

Abstract: Hybrid laser-arc welding has high potential to tolerate geometrical edge

uncertainties. Of crucial importance is the melt flow that redistributes the joint edges and the wire electrode to the resolidifying weld surface shape. For a butt joint the industrial joint edge variations can be reduced to three local properties, namely the gap width, the vertical surface position and the vertical edge mismatch. The impact of each property on the resulting weld shape was studied systematically. By triangulation the original edges as well as the resulting weld surface shape were scanned in three dimensions, to study trends.

During hybrid welding at the top surface the melt flow and the electric arc were observed by high speed imaging to analyse the complex fluid flow phenomena. For increasing gap width a linear regime lowering the weld top is followed by lack of penetration of two types. Too high and too low surface position causes different humping instabilities. Too large vertical edge mismatch pronounces an undercut.

--- [2]

Tidskrift: Applied Surface Science

Titel: Two kinds of undercuts distinguished by their oxides in laser hybrid welding Författare: J. Karlsson

, P. Norman

, A.F.H. Kaplan

1

Luleå University of Technology, Luleå, Sweden

Abstract: Two different types of undercuts have been identified in the cases of remaining or removed mill scale (surface oxides from hot rolling), respectively, when laser hybrid arc welding. The two undercut types are examined by macrographs, SEM and EDX. In both cases Fe- and Si-oxides cover the heated and melted surface. For the mill scale case, in addition much MnO is found in the undercut region. Here the fusion zone suffers from lack of fusion to the melted base material due to the oxides. High speed imaging reveals that the melt adheres at the top surface in case of removed mill scale but glides down when the mill scale is present. The latter causes poor weld quality due to sharper undercut geometry and lack of fusion, compared to having the mill scale removed.

---

[3]

Tidskrift: Applied Surface Science

Titel: Observation of the mechanisms causing two kinds of undercuts during laser hybrid arc welding

Författare: J. Karlsson

, P. Norman

, A.F.H Kaplan

, P. Rubin

, J. Lamas

, A. Yañez

1

Luleå University of Technology, Dept. TVM, SE-971 87 Luleå, Sweden, www.ltu.se/tfm/produktion

2

Rubin-Materialteknik. Consultant. Gullhönevägen 13 97596 Luleå, Sweden

3

Centro Centro Tecnolóxico do Naval Galego, Ferrol 15590 (A Coruña) Spain

4

Centro Centro de Investigacións Tecnolóxicas, Universidade da Coruña, Ferrol 15403 (A Coruña) Spain

Abstract: Two different kinds of undercuts were identified for the cases of remaining or removed mill scale (surface oxides from hot rolling of steel), respectively, when laser hybrid arc welding. Due to the surface oxides the pulsed leading arc is disturbed and confined, causing a more narrow gouge than without surface oxides. As observed by high speed imaging, the increased arc pressure pushes more strongly on the melt, enabling gouge rim oxidation. The incoming drops try to climb up the rear wall of the gouge, where they adhere in the case of removed oxides, forming slightly curved undercuts by an interface layer. In case of an Mn-oxidized rim the melt glides down again, causing a sharper and lower undercut with lack of fusion. Subsequently, for both cases, along the tail the melt pool slows down and grows the central reinforcement. Consequently, removal of the surface oxides leads to less severe weld undercuts.

---

[4]

Tidskrift: Science and Technology of Welding and Joining

Titel: Hybrid fibre-laser welding of 10mm, high-strength, cold forming steel, DOMEX 420MC Författare: Peter M. Norman

, Jan Karlsson

, Javier Lamas

, Alexander F.H. Kaplan

, Armando Yañez

, John Powell

1

Luleå University of Technology, Sweden

2

Universidade da Coruña, Spain

Abstract: The hybrid welding process is being used more in industry and as it is a complex process where two different processes are to work together the setup is of utmost

importance. Hybrid laser welding is here represented by an electric-arc torch and a 15kW fibre-laser. The main obstacle for this processing method is to find optimum parameters for each setup and therefore it consumes time that could be used for production instead.

The here presented research is a result of 30 welding trials performed to optimise welding of a truck support axle. The results are generalised to facilitate understanding and to enable use of the results in oncoming hybrid laser welding trials. In the data, tacit knowledge is also included. This is a type of knowledge that is difficult to get in writing as it is hidden as thoughts and expertise of the operator. The results emanate in a MatrixFlowChart (MFC), which facilitates understanding of the welding results.

---

[5]

Konferens: LANE 2010 Conference, Laser and Net Shape Engineering, Erlangen, Tyskland Titel: Classification and generalization of data from a fibre-laser hybrid welding case Författare: Peter M. Norman, Alexander F.H. Kaplan, Jan Karlsson

Luleå University of Technology, Luleå 97187, Sweden

Abstract: Compared to autonomous laser welding, the amount of parameters is higher for laser hybrid welding. Consequently, empirical optimisation of these parameters is a challenge. Handling and evaluation at a higher systematic level is desired in order to enhance the ability to build research on previous knowledge. Such new approach is studied on a case with 10 mm high strength steel sheets, fibre-laser hybrid welded. Aim of the paper is to provide a method of documenting and handling data, transferable to other disciplines, to continuously build knowledge, to simplify repetition of experiments and to facilitate the start-up phase of new trials. Starting from 30 experimental results depending on 23 parameters, by the Matrix Flow Chart a guideline has been developed that filters the information through combination, priorities and quality categorization. A chart resulted where five categories of poor quality are graphically related to a high quality category which can be achieved when following the guidelines for eight main arc- or laser- parameters. The chart is a guideline suitable for extension and for exploring the limits of its validity.

---

8. Referenslista

1. M. Wouters: Hybrid laser-MIG welding : an investigation of geometrical consideration, Licentiate thesis, Luleå University of Technology, Nr.2005:82, ISSN:

1402-1757, p. 59, (2005)

2. M. Wouters, J. Powell, A. F. H. Kaplan: The influence of joint gap on the strength of hybrid Nd:YAG laser-MIG welds, Journal of Laser Applications, v 18, n 3, pp. 181- 184 (2006).

3. A. F. H. Kaplan and G. Wiklund: Advanced welding analysis methods applied to heavy section welding with a 15 kW fibre laser, Proc. 62nd Int. Conf. on Welding of the IIW, July 12-17, 2009, Singapore, IIW (2009)

4. T. C. Nguyen, D. C. Weckman, D. A. Johnson, and H. W. Kerr, “High speed fusion weld bead defects”, Science and Technology of Welding & Joining, vol. 11, pp. 618- 633, 2006.

5. P. F. Mendez, and T. W. Eagar, “Penetration and defect formation in high-current arc welding”. Welding Journal, vol. 82, no. 10, pp. 296-306, 2003.

6. M. A. Legodi, and D. de Waal, “The preparation of magnetite, goethite, hematite and maghemite of pigment quality from mill scale iron waste”, Dyes and Pigments, vol.

74, no. 1, pp. 161-168, 2007.

7. L. L. Martinez, A. F. Blom, H. Trogen, and T. Dahle, “Fatigue behaviour of steels with strength levels between 350 and 900 MPa influence of post weld treatment under spectrum loading”, in Proceeding of the NESCO conference, Welded High- Strength Steel Structures, Stockholm, Edited by A.F. Bloom, EMAS Publishing, London, 1997

8. -, “Swedish standard, SS-EN ISO 1011-6:2005”.

9. R. Bell, O. Vosikovsky, and S. A. Bain, “The significance of weld toe undercuts in the fatigue of steel plate T-joints”, International Journal of Fatigue, vol. 11, no. 1, pp.

3-11, 1989.

10. J. L. Otegui, H. W. Kerr, D. J. Burns, and U. H. Mohaupt, “Fatigue crack initiation from defects at weld toes in steel”, International Journal of Pressure Vessels and Piping, vol. 38, no. 5, pp. 385-417, 1989.

11. Yu Chivel, V. Nasonov, Influence of ambient gas pressure on laser induced metal ablation, Physics Procedia, Volume 5, Part 1, Laser Assisted Net Shape Engineering 6, Proceedings of the LANE 2010, Part 1, 2010, Pages 255-259, ISSN 1875-3892, DOI: 10.1016/j.phpro.2010.08.144.

12. N. T. Nguyen, and M. A. Wahab, “The effect of undercut and residual stresses on fatigue behaviour of misaligned butt joints”, Engineering Fracture Mechanics, vol.

55, no. 3, pp. 453-469, 1996.

9. Bilagor

[1]

Tidskrift: J. Phys. D: Appl. Phys.

Titel: Redistribution of the melt flow by edge tolerances in laser hybrid welding Författare: J Lamas

, J Karlsson

, P Norman

, A F H Kaplan

and A Yañez

[2]

Tidskrift: Applied Surface Science

Titel: Two kinds of undercuts distinguished by their oxides in laser hybrid welding Författare: J. Karlsson

, P. Norman

, A.F.H. Kaplan

[3]

Tidskrift: Applied Surface Science

Titel: Observation of the mechanisms causing two kinds of undercuts during laser hybrid arc welding

Författare: J. Karlsson

, P. Norman

, A.F.H Kaplan

, P. Rubin

, J. Lamas

, A. Yañez

[4]

Tidskrift: Science and Technology of Welding and Joining

Titel: Hybrid fibre-laser welding of 10mm, high-strength, cold forming steel, DOMEX 420MC Författare: Peter M. Norman

, Jan Karlsson

, Javier Lamas

, Alexander F.H. Kaplan

, Armando Yañez

, John Powell

[5]

Konferens: LANE 2010 Conference, Laser and Net Shape Engineering, Erlangen, Tyskland

Titel: Classification and generalization of data from a fibre-laser hybrid welding case

Författare: Peter M. Norman, Alexander F.H. Kaplan, Jan Karlsson

Redistribution of the melt flow by edge tolerances in laser hybrid welding

J Lamas

, J Karlsson

, P Norman

, A F H Kaplan

and A Ya˜ nez

1

Centro Tecnol´ oxico do Naval Galego, Ferrol 15590 (A Coru˜ na) Spain E-mail: jlamas@udc.es

2

Lule˚ a University of Technology, Dept. TFM, SE-971 87 Lule˚ a, Sweden E-mail: www.ltu.se/tfm/produktion

3

Centro de Investigaci´ ons Tecnol´ oxicas, Universidade da Coru˜ na, Ferrol 15403 (A Coru˜ na) Spain

E-mail: ayanez@udc.es

Abstract. Hybrid laser-arc welding has high potential to tolerate geometrical edge uncertainties. Of crucial importance is the melt flow that redistributes the joint edges and the wire electrode to the resolidifying weld surface shape. For a butt joint the industrial joint edge variations can be reduced to three local properties, namely the gap width, the vertical surface position and the vertical edge mismatch. The impact of each property on the resulting weld shape was studied systematically. By triangulation the original edges as well as the resulting weld surface shape were scanned in three dimensions, to study trends. During hybrid welding at the top surface the melt flow and the electric arc were observed by high speed imaging to analyse the complex fluid flow phenomena. For increasing gap width a linear regime lowering the weld top is followed by lack of penetration of two types. Too high and too low surface position causes different humping instabilities. Too large vertical edge mismatch pronounces an undercut.

Keywords: laser hybrid welding, geometry, tolerances, melt flow, imaging

Submitted to: J. Phys. D: Appl. Phys.

Redistribution of the melt flow by edge tolerances in LHW 2 1. Introduction

The quality and in turn the strength of a weld is significantly determined by the weld geometry [1, 2] that results from resolidification of complex fluid flow [3, 4, 5, 6]. Laser hybrid welding, combining a laser beam with an electric arc, usually Metal Inert or Active Gas (MIG/MAG) is an emerging technique combining the advantages but also the complexity of both techniques, in particular enabling high speed and a narrow lower part of the weld due to the laser as well as bridging of joint gaps by the burning electrode.

While laser welding requires edges prepared with narrow gap, hybrid welding is more tolerant. Although the gap width limits were often identified [1, 7, 8, 9], typically 1-1.5 mm (for parallel sides), the understanding of the basic physics of laser hybrid welding is still little, particularly with respect to the joint edges. From X-ray imaging it was observed that the melt pool can have much larger extension inside the material. High speed imaging enabled to study the drop transfer and the keyhole conditions for steel [10, 11, 12] and aluminium [13]. The recoil pressure from keyhole evaporation can drive the melt into the gap [10]. Different situations were classified [13] dependent on the presence of a gap, the torch arrangement and the corresponding drop flight and heat and mass transfer, partially explaining the weld shape and gap filling. Recently, Computational Fluid Dynamics (CFD) of the whole drop transfer and melt pool flow was succeeded by a few research groups, despite heavy computation efforts required [3, 14], but analysis of the many phenomena involved is still very selective and limited.

Even the gap was occasionally introduced [4], but a number of uncertainties remain.

Most studies deal with other phenomena than edge tolerances, e.g. weld shape, wire alloy distribution, pore formation, spatter or humping.

The technique chosen for the edge preparation of a weld is of high economic importance [15]. While plasma cutting or autogeneous flame cutting are cheap and often manual techniques, laser cutting and milling provide high quality edges and correspondingly narrower geometrical tolerance windows. The former processes cause larger ripples, edge inclinations and thermal distortion. In addition, clamping of the workpieces and distortion during welding affect the effective edge conditions locally experienced during the welding process. Despite its importance, the geometrical edge conditions have been rarely measured or studied.

The present study on laser hybrid welding of a 10 mm steel butt joint is based on

the comparison between gas cutting, laser cutting and milling. By measuring the edge

geometries it became clear that gas cutting not only caused higher surface roughness,

see Figure 1a,b,c, but also tended to lateral oscillations along longer distances, thus

further increasing the gap width variations w

. Moreover, distortion bends the plates,

enhancing the uncertainties in the vertical edge mismatch Δz

and surface position z

compared to laser cutting and milling that both enable a narrow geometry variation

window. The present application studied is longitudinal welding of a beamer. The

variation of the three properties, defined as in Figure 1.d, (note that Δz

= z

- z

)

along part of the edges after gas cutting in the industrial environment (but for a V-

Redistribution of the melt flow by edge tolerances in LHW 3 shaped joint) are shown in Figure 1.f, plus the gap width variation during welding, including distortion. A typical weld seam cross section is shown in Figure 1.e. Seam tracking based on triangulation with a laser line projection is often applied to adjust the beam/torch alignment and occasionally to compensate through parameters like wire feeding for variations like of the gap width [16], however requiring system learning efforts.

100 150 200 250 300

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Workpiece position x [mm]

Tolerance dimension w g,z 0 [mm]

z₀ left plate z0 right plate w_g before welding w_g during welding

Figure 1. Typical edge preparation for welding: (a) gas-cut surface (thickness 10 mm), (b) upper edge, magnified, (c) top surface appearance of the gap, (d) the three tolerance properties of the upper joint edges, to be here studied, and coordinate system, (e) cross section of a weld of good quality (thickness 10 mm), (f) measured edge tolerance properties along an industrially prepared gas-cut component

In the following the above three properties w

, Δz

, z

are systematically studied

to identify their tolerance window for the present case and to provide a theoretical

explanation of the impact of these edge tolerance properties on the resulting weld,

through redistribution of mass by the complex melt flow.