Usability of laser–arc hybrid welding processes in industrial applications

Abstract

Metal industries producing thick sections have shown increasing interest in the laser–arc hybrid welding process because of its clear advantages compared with the individual processes of autogenous laser welding and arc welding. One major benefit of laser–arc hybrid welding is that joints with larger gaps can be welded with acceptable quality compared to autogenous laser welding. The laser-arc hybrid welding process has good potential to extend the field of applications of laser technology, and provide significant improvements in weld quality and process efficiency in manufacturing applications. The objective of this research is to present a parameter set-up for laser–arc hybrid welding processes, introduce a methodical comparison of the chosen parameters, and discuss how this technology may be adopted in industrial applications. The research describes the principles, means and applications of different types of laser–arc hybrid welding processes. Conducted experiment processing variables are presented and compared using an analytical model which can also be used for predictive simulations.

The main argument in this thesis is that profound understanding of the advanced technology of laser-arc hybrid welding will help improve the productivity of welding in industrial applications. Based on a review of the current knowledge base, important areas for further research are also identified.

This thesis consists of two parts. The first part introduces the research topic and discusses laser–arc hybrid welding by characterizing its mechanism and most important variables. The second part comprises four research papers elaborating on the performance of laser– arc hybrid welding in the joining of metals. The study uses quantitative and qualitative research methods which include in-depth, interpretive analyses of results from a number of research groups. In the interpretive analysis, the emphasis is placed on the relevance and usefulness of the investigative results drawn from other research publications.

The results of this study contribute to research on laser–arc hybrid welding by increasing understanding of how old and new perspectives on laser–arc hybrid welding are evidenced in industry. The research methodology applied permits continued exploration of how laser–arc hybrid welding and various process factors influence the overall quality of the weld. Thestudy provides a good foundation for future research, creates improved awareness of the laser–arc hybrid welding process, and assists the metal industry to maximize welding productivity.

Järeitä rakenteita valmistavat metalliteollisuuden alat ovat osoittaneet kasvavaa kiinnostusta laserhybridihitsausprosessia kohtaan, koska sillä on selkeitä etuja lisäaineettoman laserhitsauksen ja kaarihitsauksen erillisiin prosesseihin nähden. Yksi laserhybridihitsauksen merkittävä etu lisäaineettomaan laserhitsaukseen verrattuna on, että liitoksia, joissa on suurehkoja ilmarakoja, voidaan hitsata riittävän laadukkaasti. Laserhybridihitsausprosessi tarjoaa hyvän mahdollisuuden laajentaa laserteknologian sovellusaluetta ja tuo merkittäviä parannuksia hitsauksen laatuun ja prosessin tehokkuuteen valmistussovelluksissa. Tämän tutkimuksen tavoitteena on esittää laserhybridihitsausprosessien parametriasetukset, tehdä valittujen parametrien metodologinen vertailu ja pohtia laserhybridihitsausprosessin käyttömahdollisuuksia teollisissa sovelluksissa. Tutkimuksessa kuvaillaan erilaisten laserhybridihitsausprosessien periaatteet, keinot ja sovelluskohteet. Tieteellisessä tutkimuksessa käytetyt prosessimuuttujat on kerätty yhteen ja ne esitellään ja niitä vertaillaan analyysimallilla, jota voidaan käyttää myös ennustesimulaatioissa.

Tämän tutkimuksen pääväite on, että laserhybridihitsauksen kehittyneen teknologian syvällinen ymmärtäminen auttaa parantamaan hitsauksen tuottavuutta teollisissa sovelluksissa. Tämänhetkiseen tutkimustietoon perustuvan katsauksen pohjalta osoitetaan myös tärkeitä aiheita lisätutkimusta varten.

Väitöskirja koostuu kahdesta osasta. Ensimmäisessä osassa esitellään tutkimusaihe ja käsitellään laserhybridihitsausta luonnehtimalla sen mekanismia ja tärkeimpiä muuttujia. Toinen osa koostuu neljästä tutkimusartikkelista, joissa käsitellään laajemmin laserhybridihitsauksen toimivuutta metallien liittämisessä. Tutkimuksessa käytetään kvantitatiivisia ja kvalitatiivisia menetelmiä, joihin sisältyy perusteellisia tulkitsevia analyysejä useiden tutkimusryhmien tuloksista. Analyysin pääpaino on muista tutkimusjulkaisuista kerättyjen tutkimustulosten oleellisuudessa ja hyödyllisyydessä.

Tämän työn tulokset edistävät osaltaan laserhybridihitsauksen tutkimusta laajentamalla käsitystä siitä, miten laserhybridihitsauksen vanhat ja uudet näkymät ilmenevät teollisuudessa. Tutkimusmenetelmän myötä on mahdollista tutkia syvällisemmin, mitenlaserhybridihitsaus ja useat prosessin osatekijät vaikuttavat hitsin yleiseen laatuun. Työ tarjoaa hyvän pohjan tuleville tutkimuksille, lisää laserhybridihitsausprosessin tunnettuutta ja tukee metalliteollisuutta hitsauksen tuottavuuden maksimoinnissa.