O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I. Laserhitsaus särmätyn kotelorakenteen kannen liittämisessä. Materiaalina 1 mm:n AISI 430 BA

Transkriptio

1 O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I Laserhitsaus särmätyn kotelorakenteen kannen liittämisessä 1. Tiivistelmä Materiaalina 1 mm:n AISI 430 BA Jarmo Mäkikangas 1 (Jarmo.Makikangas@Oulu.fi), Kari Mäntyjärvi 1 (Kari.Mantyjarvi@Oulu.fi), Markku Keskitalo 1 (Markku.Keskitalo@Oulu.fi) 1) Oulun yliopisto, Oulun Eteläisen instituutti Tutkimuksessa selvitettiin materiaalin AISI 430 laserhitsattavuutta sekä laserhitsatun limiliitoksen soveltuvuutta kotelorakenteen liittämismenetelmäksi. Selvityksen kohteena olleen kotelorakenteen liittämismenetelmänä on aikaisemmin käytetty niittiliitosta. Tutkimuksen kokeellinen osuus muodostui materiaalin hitsauskokeista, kotelorakenteen hitsauskokeista, vetokokeista sekä mikrorakennetarkasteluista. Materiaalin hitsauskokeilla saatiin selville materiaalin AISI 430 laserhitsausparametrit, joita voidaan hyödyntää kotelorakenteen hitsaamisessa. Käytetyllä laitteistolla 4 kw teholla sopiva hitsausnopeus on 450 mm/s ja 2 kw teholla 200 mm/s. 2 kw teho antoi visuaalisesti paremman näköisen hitsin. Vetokokeiden tuloksien perusteella saatiin tietoa hitsin lujuudesta limiliitoksessa ja tämän perusteella voidaan arvioida mm. niittiliitoksen korvattavuutta laserhitsauksella. Hitsiliitoksen staattinen vetolujuus on noin kolme suurempi kuin tutkimuksessa määritetyn niittiliitoksen lujuus. Mikrorakennetarkastelusta saatiin tietoa materiaalin AISI 430 käyttäytymisestä laserhitsauksessa. Jähmettyneen hitsiaineen raekoko on suuri ja se sisältää martensiittia sekä raerajoille erkautuneita kromikarbideja. Sen sijaan muutosvyöhykkeen raekoko on suhteellisen pieni nopean hitsausprosessin vähäisen lämmöntuonnin takia. Hitsatun liitoksen kestävyys iskumaisella ja dynaamisella kuormalla tulisi vielä tutkia. Kokeellisessa osuudessa saatiin tietoa kotelorakenteen laserhitsaukseen kuluvasta vaiheajasta, minkä perusteella voidaan jatkossa arvioida menetelmän kustannustehokkuutta tuotannossa. Kotelorakenteen hitsauskokeilla saatiin tietoa myös hitsauskiinnittimien vaatimuksista. Kokeiden perusteella arvio hitsausajasta on alle 10 s/kappale. Laserliittäminen on helpommin ja varmemmin automatisoitavissa, mutta kustannuksiltaan edullisempi vasta erittäin suurilla valmistusmäärillä. 2. Johdanto Tämä raportti liittyy Laser- ja suurnopeustyöstötekniikan erityisosaaminen projektin kokeellisiin selvityksiin. Projektissa tehdään erilaisia Oulun Eteläisen alueen elektroniikan mekaniikka- ja metallialan yrityksiä kiinnostavia selvityksiä liittyen ELME Studion uusiin laser- ja suurnopeustyöstölaitteisiin. Selvitys on tehty yhteistyössä Ohutlevyalan uudet menetelmät- ja Lasertekniikka elektroniikan mekaniikan tuotannossa -projektien kanssa. Laser- ja suurnopeustyöstötekniikan erityisosaaminen -projektissa tehdään hitsauskokeita eri materiaaleille ja erilaisille liitoskonstruktioille. Tässä selvityksessä käsitellään laserhitsauksen soveltuvuutta särmätyn kotelorakenteen liitoskonstruktioon. Kotelorakenteen materiaalina on ferriittinen ruostumaton teräs AISI 430 BA, jonka materiaalipaksuus on 1 mm. Selvityksessä tutkitaan erityisesti niittiliitoksen korvaamista laserhitsatulla limiliitoksella. Laserhitsaus suoritetaan lisäaineettomana. Kotelorakenteen liittämismenetelmänä on aikaisemmin käytetty niittausta. Käytetyn niitin tyyppi on ollut sokkoniitti, josta usein käytetään nimitystä popniitti. Niitin materiaalina on ollut ruostumaton teräs. Kokoonpanovaiheessa niitatussa kotelorakenteessa osien kohdistus toisiinsa nähden tapahtuu niittien ja osissa olevien tarkkojen reikien avulla. Kotelorakenteen eri osissa on myös erilliset kohdistusreiät, joita voidaan käyttää apuna kokoonpanovaiheessa. Niittaamalla koottujen kotelorakenteiden on yleisesti todettu olevan mittatarkkoja eli osien kohdistus on ollut riittävää. Niittaus on ohutlevyteollisuudessa yleisesti käytetty liittämismenetelmä. Niittauksen huonona puolena on sen vaikea automatisoitavuus esimerkiksi hitsaukseen verrattuna. Niittiliitoksen korvaaminen helpommin automa- 1/13

2 O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I tisoitavalla laserhitsatulla limiliitoksella antaa uusia mahdollisuuksia tuotannon tehostamiseen. Limiliitos on yksi parhaiten lisäaineettomalle laserhitsaukselle soveltuvista liitostyypeistä. Laser- ja suurnopeustyöstötekniikan erikoisosaaminen- ja Ohutlevyalan uudet menetelmät -projektien rahoittajina toimivat Oulun Lääninhallitus, EU (EAKR) sekä alueen seutukunnat ja yritykset. Lasertekniikka elektroniikan mekaniikan tuotannossa -projekti on ProMetal-verkosto-osaamiskeskuksen rahoittama esiprojekti. 3. Tavoite Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää laserhitsauksen soveltuvuutta 1 mm:n AISI 430 materiaalista valmistetun kotelorakenteen liitoskonstruktiossa. Selvityksen kohteena olevan kotelorakenteen tyyppisiä rakenteita on aikaisemmin valmistettu samasta materiaalista niitaten. Selvityksessä tutkitaan erityisesti laserhitsatun limiliitoksen soveltuvuutta kyseisen kotelorakenteen liittämismenetelmäksi. Tutkimuksen tavoitteet voidaan jaotella seuraavasti: - Laserhitsauksen soveltuvuuden selvittäminen materiaalille AISI 430 BA - Laserhitsatun limiliitoksen ja niittiliitoksen vertaileminen - Laserhitsatun limiliitoksen vetolujuuden määrittäminen sekä mikrorakennetarkastelu - Laserhitsauksen automatisoitavuuden selvittäminen - Laserhitsauksen taloudellisen kannattavuuden tarkasteleminen 4. Tutkimusmenetelmät Tutkimusmenetelminä käytetään kirjallisuustutkimusta, kokeellisia menetelmiä sekä asiantuntijakonsultaatioita. Lyhyt kirjallisuustutkimus suoritetaan tutustumalla laserhitsauksesta ja tarkasteltavasta materiaalista julkaistuihin lähteisiin. Asiantuntijakonsultaatiot suoritetaan keskustelemalla aihealueen asiantuntijoiden kanssa kerätystä ja osittain prosessoidusta materiaalista. Kokeellisen osuuden kokeet suoritetaan Nivalan ELME-Studion laserlaitteistolla. 5. Resurssit Henkilöresurssit: Jarmo Mäkikangas, dipl.ins., Tutkija, Lasertekniikka elektroniikan mekaniikan tuotannossa- ja Laser- ja Suurnopeustyöstötekniikan erikoisosaaminen -projektit Markku Keskitalo, dipl.ins., Tutkija, Laser- ja Suurnopeustyöstötekniikan erikoisosaaminen -projekti Jari Ojala, ins., Tutkimusinsinööri, Ohutlevyalan uudet menetelmät -projekti Kari Mäntyjärvi, dipl.ins., Tutkimuspäällikkö, Ohutlevyalan uudet menetelmät -projekti Laiteresurssit: Laserhitsaus: ELME Studion Trumpf HLD 4002 Yb:YAG, Precitec-hitsaus- ja leikkausoptiikat, Motoman UP50N -robotti ja MT1-250 S2CX -käsittelylaite. (Omistus KAM) Koemateriaali: Saadaan osin mukana olevilta yrityksiltä ja osin ostetaan Laser- ja suurnopeustyöstötekniikan erikoisosaaminen -hankkeeseen. Koemateriaaleina AISI 430 BA sekä AISI Taustaselvitykset Selvityksen hitsauskokeissa laserhitsaus tapahtuu niin sanottuna syvätunkema- eli avaimenreikähitsauksena, joka on yleisin laserhitsausprosessi. Lasersäde fokusoidaan yleensä kohtisuoraan työkappaleen yläpuoliselle pinnalle tai noin levyn paksuuden neljänneksen verran alemmas. Syvätunkemahitsaus edellyttää riittävää tehotiheyttä materiaalin pinnalla, joka teräksellä on noin 10 6 W/cm 2. Avaimenreikää ei synny, jos lasersäde on fokusoitu liikaa työkappaleen pinnan ylä- tai alapuolelle. Lasersäteen vaikutuksesta metalli alkaa 2/13

3 O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I kiehua fokusointikohdassa ja työkappaleeseen syntyy reikä, joka pysyy avoimena syntyvän metallihöyryn paineen vaikutuksesta. Avaimenreiän ympärillä metalli on sulassa olomuodossa, jolloin lasersäteen liikkuessa sula materiaali kiertää avaimenreiän takapuolelle ja jähmettyy muodostaen hitsin. Avaimenreiässä lasersäde absorboituu tehokkaasti useiden takaisinheijastuksien takia. Avaimenreikähitsausta voi häiritä plasmapilvi, joka syntyy yleensä vasta suurilla, yli 5 kilowatin tehoilla. Pienemmillä hitsausnopeuksilla, etenkin CO 2 - lasereilla hitsattaessa saattaa lasersäde absorboitua liiaksi avaimenreiässä syntyvään plasmapilveen, jolloin hitsausprosessi vaikeutuu ja hitsin lämpövyöhyke laajenee. Nd/Yb:Yag-laser läpäisee lyhyemmän aallonpituutensa vuoksi plasmapilven paremmin kuin CO 2 -laser. Syvätunkeumahitsauksessa hitsistä tulee syvä ja kapea. Lämpövyöhyke jää huomattavasti kapeammaksi kuin perinteisillä kaarihitsausmenetelmillä. Tästä on etua etenkin hitsattaessa ferriittisiä ruostumattomia teräksiä. /1/ Ruostumattomista teräksistä laserhitsaukseen parhaiten soveltuvat austeniittiset ruostumattomat teräkset, huonoiten martensiittiset laadut. Austeniittisilla materiaaleilla saavutetaan vaikeuksitta tavallisille liitosmuodoille asetettavat tyypilliset vaatimukset. Tästä tosin poikkeuksena voidaan mainita rikkiseosteiset teräslaadut, jotka ovat herkkiä kuumahalkeilulle. Laserhitsauksen pienempi lämmöntuonti pienentää ferriittisten terästen rakeenkasvutaipumusta hitsauksen yhteydessä, mikä parantaa hitsatun teräksen lujuutta sekä kovuutta. Martensiittisten ruostumattomien terästen korkean hiilipitoisuuden ja martensiitin muodostumisen vuoksi voi hitsistä ja lämpövyöhykkeestä tulla kova ja hauras. Ferriittisistä teräksistä laserhitsaukseen soveltuvat parhaiten ne laadut, joilla on alhainen hiili- ja kromipitoisuus. Materiaalilla AISI 430 hiili- ja kromipitoisuudet ovat verrattain suuria, joten kyseisen materiaalin hitsattavuus on yleisesti ottaen huono. Yleisimpien ruostumattomien teräksien seosainepitoisuuksia on esitetty taulukossa 1. Ferriittisen AISI 430 -teräksen hitsauksessa muutosvyöhykkeelle ja hitsiaineeseen muodostuu nopeassa jäähdytyksessä isorakeinen martensiittinen mikrorakenne, mikä on varsin haurasta. Suuri hitsausnopeus aiheuttaa yleensä pisaramaisen sulan, minkä takia hitsin keskilinjalla on yhtenäinen raeraja. Tämä voi aiheuttaa ongelmia täysin austeniittisilla teräksillä haitallisten seosaineiden suotautuessa hitsin keskilinjalle, mutta ferriittisillä teräksillä tätä ilmiötä ei kuitenkaan yleensä esiinny seosaineiden paremman ferriittiin liukenemisen takia. Hitsin korroosionkestävyyden kannalta ongelmana on lähinnä korkeasta hiilipitoisuudesta johtuva kromikarbidien erkautuminen raerajoille eli herkistyminen, mikä heikentää hitsin korroosiokestävyyttä. Tämä ilmiö voidaan estää käyttämällä matalahiilisiä tai Ti- tai Nb-stabiloituja teräksiä. /2/ Hitsiaineen mikrorakenteeseen voidaan vaikuttaa käyttämällä esimerkiksi austeniittista lisäainetta, mutta lämmöntuonnin täytyy silti olla pientä, ettei muutosvyöhykkeen raekoko ehtisi kasvaa liian suureksi. Taustaselvityksen perusteella voidaan todeta seuraavat seikat: Limiliitos liitosmuotona soveltuu hyvin laserhitsaukseen. Materiaalin AISI 430 hitsattavuudessa on odotettavissa ongelmia. Ferriittisillä ruostumattomilla teräksillä rakeenkasvu on merkittävimpiä ongelmia. Laserhitsauksen etuna on optimoitu lämmöntuonti, jolla rakeenkasvua voidaan osittain vähentää. On kuitenkin syytä ottaa huomioon se, että materiaalin ominaisuudet määräävät hyvin pitkälle syntyneen hitsin mikrorakenteen. Hitsattavuutta voidaan tutkia vetokokeiden avulla sekä mikrorakennetarkasteluilla. Vetokokeiden avulla pystytään selvittämään hitsin suuntaa-antava staattinen vetolujuus. Mikrorakennetarkastelulla saadaan tietoa hitsissä tapahtuvasta rakeenkasvusta ja sitä kautta arvioita hitsin hauraudesta. 7. Koejärjestelyt Selvityksen koejärjestelyt voidaan jaotella seuraavasti: - Materiaalien AISI 430 BA ja AISI 304 hitsauskokeet ja hitsausparametrien määrittäminen - Kotelorakenteen hitsauskokeet - Laserhitsatun limiliitoksen vetokokeet - Laserhitsatun limiliitoksen mikrorakennetarkastelu Ennen varsinaisen kotelorakenteen hitsaamista etsittiin kotelorakenteessa käytetylle materiaalille soveltuvia hitsausparametreja lukuisilla hitsaustesteillä. Lähtötietojen perusteella ferriittisen ruostumattoman teräksen hitsaamisen arveltiin olevan hieman ongelmallista, koska kyseisessä materiaalissa mikrorakenteen takia hitsiin syntyy helposti haurasta martensiittia, joka romahduttaa hitsin lujuuden. Kiiltohehkutetun pinnan arveltiin heikentävän lasersäteen absorptiota ja alentavan siten hitsausnopeuksia verrattuna himmeäpintaisiin ruostumattomiin teräksiin. Hitsaustesteissä hitsattiin vertailun vuoksi myös himmeäpintaista austeniittista ruostumatonta terästä AISI 304, jonka yleisesti tiedetään olevan hyvin hitsattavaa. 3/13

4 O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I Kotelorakenteen hitsauksessa päätettiin käyttää kahden kilowatin tehoa ja hitsausnopeutta 150 mm/s. Edellä mainituilla hitsausparametreilla hitsin todettiin visuaalisesti tarkasteltuna olevan hyvälaatuista. Hitsausparametrien valinta tehtiin hitsaustestien perusteella. Kahdella kilowatilla hitsattaessa ei päästä hitsausnopeuksissa maksimiarvoihin, mutta selvityksen kotelorakenteessa hitsattava matka on varsin lyhyt, jolloin todellinen vaiheaika tuotannossa muodostunee pääosin robotin paikoitusajoista sekä työkappaleen asetusajasta. Kahden kilowatin käyttöä puoltaa myös se, että selvityksen tulokset ovat tarvittaessa sovellettavissa huomattavasti laajemmin ja eritehoisille lasereille. Muut hitsausparametrit olivat samat kuin hitsaustesteissä käytetyt. Kotelorakenne hitsattiin pyörityspöydälle kiinnitettynä. Pyörityspöydällä mahdollistettiin työkappaleen optimaalinen asemointi hitsauksen aikana. Kotelorakenteen hitsausta tehtiin kahdessa eri vaiheessa. Molemmissa vaiheissa käytettiin samaa hitsausohjelmaa. Kotelorakenteen kiinnitys pyörityspöytään oli molemmissa vaiheissa samanlainen. Kotelorakenne oli kiinnitetty pyörityspöytään runko-osan etureunasta kahdella ruuvilla sekä takareunasta ruuvipuristimella. Kotelorakenteen paikoitus pyörityspöytään tapahtui runko-osan etureunan geometriasta. Limiliitoksia tuli kotelorakenteen päätyosaan sekä pohjaosaan lähinnä nykyisten niittiliitoksien alueelle. Ensimmäisessä vaiheessa hitsattiin valmis tuote, joka oli koottu niittiliitoksilla. Toisessa vaiheessa hitsattiin tuote, jota ei oltu koottu. Kotelorakenteen hitsien mitoitus perusteena käytettiin sitä taustaselvityksistä saatua tietoa, että ferriittisessä ruostumattomassa teräksessä olevat hitsit ovat pääsääntöisesti hauraita. Kotelorakenteen staattinen ja dynaaminen lujuus haluttiin maksimoida tekemällä hitsit toisiinsa nähden kohtisuoraan ja riittävän tiheään. Käytännössä hitsit sijoitettiin alkuperäisien niittiliitoksien väliin siten, että hitsit eivät ulottuneet niitteihin saakka. Hitsejä tehtiin 24 kappaletta. Hitsien sijoittelu kotelorakenteessa ja hitsausjärjestys on esitetty kuvassa 1. Kuva 1. Hitsien sijoittelu ja hitsausjärjestys. Selvityksen kokeissa käytettiin robottityöasemaa, joka muodostuu Trumpf HLD 4002 Yb:Yag-laserista, Motomanin nivelvarsirobotista ja käsittelylaitteesta. Laser on varustettu Precitecin leikkaus- ja hitsausoptiikoilla. Suojakaasuna käytettiin argonia. Robottityöasema on esitetty kuvassa 2. Kuva 2. Selvityksen kokeissa käytetty robottityöasema. Motoman nivelvarsirobotti ja käsittelylaite sekä Precitec työstöoptiikat. 4/13

5 8. Tulokset O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I Selvityksen tuloksina saatiin tietoa kotelorakenteen laserhitsattavuudesta ja erityisesti materiaalin soveltuvuudesta laserhitsaukseen. Selvityksessä tehtiin kotelorakenteessa käytetylle materiaaleille lukuisia hitsaustestejä. Hitsatuille testikappaleille tehtiin vetokokeet ja tuloksina saatiin laserhitsatun limiliitoksen suuntaa antavia lujuuksia eri hitsausparametrien arvoilla. Vetokokeissa selvitettiin myös ehyen materiaalin lujuus AISI 430:lle ja AISI 304:lle. Lisäksi tutkittiin AISI 430 -levyihin tehdyn niittiliitoksen lujuus. Materiaaliin AISI 430 hitsatuille limiliitoksille tehtiin mikrorakennetarkastelu, jonka perusteella voitiin määrittää hitsin tunkeuma nopeudella 150 mm/s. Mikrorakennetarkastelu tehtiin vertailun vuoksi myös nopeuksilla 100 mm/s ja 200 mm/s hitsatuille limiliitoksille. Mikrorakennetarkastelulla saatiin tietoa hitsin tunkeuman ja hitsausnopeuden välisestä riippuvuudesta kahden kilowatin tehoilla hitsattaessa. Selvityksen perusteella saatiin tietoa kotelorakenteen hitsauskiinnittimen rakenteellisista vaatimuksista. Hitsauskokeiden avulla määritettiin kotelorakenteelle teoreettinen vaiheaika tuotannossa, jonka perusteella voidaan arvioida laserhitsauksen taloudellista tehokkuutta selvityksen kohteena olevan tuotteen liittämismenetelmänä Hitsauskokeet Kaikki vetokokeisiin tehdyt hitsatut koekappaleet sekä myöhemmin tuotteeseen tulleet hitsit hitsattiin fokuksessa, jolloin saavutettiin mahdollisimman suuret hitsin tunkeumat ja hitsausnopeudet. Laserhitsaus suoritettiin lisäaineettomana. Lasersäde oli hitsauksessa kohtisuorassa työkappaleen pintaan nähden. Lasersäde fokusoitiin työkappaleen pinnalle ja käytössä olleella hitsausoptiikalla säteen halkaisija fokuksessa oli noin 0,2 mm. Hitsaustestejä tehtiin kahdella eri teholla, kahdella ja neljällä kilowatilla. Tutkimuksessa käytetyn laserlaitteen tehon arvo tarkoittaa sitä tehoa, joka on käytettävissä työstöön työkappaleen pinnalla. Hitsausnopeuden arvoja haettiin molemmista ääripäistä. Kaikissa hitsauksissa käytettiin koaksiaalista kaasusuutinta. Suojakaasuna käytettiin argonia ja sen tilavuusvirtana noin 15 l/min. Ensimmäisessä vaiheessa hitsattiin kaikkiaan viisi tuotetta, joista kaksi hitsattiin ilman lisäpuristusta. Kolmessa tuotteessa käytettiin lisäpuristusta pohjalevyn ja rungon välisen ilmaraon pienentämiseksi. Lisäpuristus saatiin aikaan alumiiniprofiileilla, joiden väliin pohjalevy ja rungon reuna puristettiin M6-ruuvien avulla. Lisäpuristusta varten tuotteen pohjalevyyn porattiin kaikkiin kuusi kappaletta halkaisijaltaan 6 mm:n reikää. Puristus tapahtui kolmesta kohtaa eli alumiiniprofiilien päistä sekä keskeltä. Ensimmäisessä vaiheessa hitsauskiinnittimessä ei tarvinnut ottaa huomioon osien keskinäistä paikoitusta, koska tuote oli koottu niittiliitoksilla. Kun tuote oli hitsattu, poistettiin niitit poraamalla. Toisessa vaiheessa hitsattiin myös viisi tuotetta. Hitsauskiinnittimen kannalta merkittävänä erona oli se, että tuotteen osat täytyi paikoittaa keskenään. Paikoitus tapahtui pohjalevyn neljästä 5,0 mm:n kohdistusreiästä sekä tuotteen päädyssä olevista neljästä niiteille tarkoitetuista 4,2 mm:n reiästä. Osien paikoituksen tarkkuus optimoitiin koneistamalla paikoitukseen käytettäviin reikiin sovitetapit. Pohjalevy ja runko kohdistettiin aluksi sovitetapeilla ja osat puristettiin yhteen ruuvipuristimilla. Seuraavaksi sovitetapit poistettiin ja tilalle laitettiin M5-ruuvit, joilla osat puristettiin yhteen, jolloin suurikokoiset ja tilaa vievät ruuvipuristimet voitiin poistaa. Päätyosassa kohdistustapit olivat paikoillaan koko hitsausprosessin aikana. Päätyosassa osien puristaminen tapahtui tuotteen alareunasta kahdella M6-ruuvilla sekä yläreunasta kahdella lukkopihdillä. Pohjalevyn ja rungon välisen ilmaraon pienentämiseksi pohjalevy tuettiin kotelon sisäpuolelta alumiiniprofiileilla, joissa oli säätöruuvit. Pohjalevy tuettiin keskiosasta noin 150 x 40 mm:n alueelta sekä pohjalevyn etureunasta koko leveydeltään. Toisessa vaiheessa hitsatuista osista puuttui osa niiteille tarkoitetuista rei istä sekä kaikki niitin kantaa varten tehdyt viisteytykset. 5/13

6 8.2. Vetokokeet O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I Hitsaustesteissä hitsatut testikappaleet muodostuivat kahdesta laserleikatusta osasta, jotka liitettynä muodostavat kuvan 3 mukaisen vetokoesauvan. Vetokokeet suoritettiin Oulun yliopiston materiaalitekniikan laboratoriossa. Kuva 3. Vetokoesauva. Testikappaleita hitsattiin samoilla hitsausparametreilla neljä kappaletta, joista kolmea käytettiin vetokokeissa. Vertailun vuoksi vetokokeissa selvitettiin myös ehyen materiaalin lujuus AISI 430:lle ja AISI 304:lle. Vetokokeiden tulokset osoittavat, että limiliitoksen lujuus materiaalissa AISI 430 on riittävän hyvä useimpiin sovelluskohteisiin, koska suuremmillakin hitsausnopeuden arvoilla ja alemmalla kahden kilowatin teholla lujuudet ovat lähes materiaalin myötörajan tasolla. Neljällä kilowatilla hitsattaessa on saavutettavissa suuria hitsausnopeuksia. Esimerkiksi materiaalissa AISI 430 limiliitoksen lujuus on nopeudella 450 mm/s vielä yli 300 MPa, joka ylittää reilusti materiaalille kirjallisuudessa annetun myötölujuuden 0,2-rajan. Limiliitoksien keskiarvoiset lujuudet materiaalille AISI 430 näkyvät kuvan 4 kuvaajissa pisteinä, joihin tehon käyrät on sovitettu. Niittiliitoksen keskiarvoinen lujuus on esitetty kuvan 4 kuvaajassa katkoviivalla. Kuvassa 5 on esitetty limiliitoksien keskiarvoiset lujuudet materiaalille AISI 304. Taulukossa 1 on esitetty eräiden ruostumattomien teräksien lujuusarvoja sekä seosaineiden tyypilliset pitoisuudet. Tuloksien mukaan AISI 304:lla limiliitoksien lujuudet olivat hieman paremmat, mikä oli odotettavissa lähtötietojen perusteella. Erot limiliitoksien lujuuksissa olivat kuitenkin suhteellisen pieniä eri materiaalien välillä. Laserhitsauksessa lämmöntuonti on optimoitua, jolloin ferriittisessä ruostumattomassa teräksessä martensiitin syntyminen hitsiin lienee merkittävästi vähäisempää kuin perinteisillä kaarihitsausmenetelmillä. Kuva 4. Limiliitoksen lujuus hitsausparametrien eri arvoilla sekä niittiliitoksen keskiarvoinen lujuus. Materiaali AISI 430 ja materiaalipaksuus 1,0 mm. 6/13

7 OULUN ETELÄISEN INSTITUUTTI Kuva 5. Limiliitoksen lujuus hitsausparametrien eri arvoilla. Materiaali AISI 304 ja materiaalipaksuus 1,0 mm. Taulukko 1. Eräiden ruostumattomien terästen tärkeimpien seosaineiden tyypilliset pitoisuudet sekä standardin SFS-EN mukaiset lujuusarvot kylmävalssatuille tuotteille. /3/ 7/13

8 OULUN ETELÄISEN INSTITUUTTI 8.3. Limiliitoksen hitsin mikrorakennetarkastelu Limiliitoksen hitsin mikrorakennetarkastelua varten hitsattiin koekappale, joka muodostui kahdesta mitoiltaan noin 125 x 50 mm olevasta 1 mm:n levystä, joiden materiaali oli sama kuin kotelorakenteessa käytetty. Koekappaleeseen hitsattiin limiliitos kolmella eri nopeudella. Koekappaleesta tehdyt mikrorakennenäytteet on esitetty kuvassa 6. Kuva 6. Hitsin mikrorakenne limiliitoksessa eri hitsausnopeuksilla, materiaali AISI 430 BA. Ferriittisen ruostumattoman teräksen hitsattavuus on yleensä vaatimatonta herkistymisen, kovien faasien ja suuren raekoon muodostumisen takia. Hitsien mikrorakennekuvista voidaan havaita, että jähmettyneen hitsiaineen raekoko on suuri ja se sisältää martensiittia sekä raerajoille erkautuneita kromikarbideja. Sen sijaan 8/13

9 O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I muutosvyöhykkeen raekoko on suhteellisen pieni, mikä aiheutuu pienestä lämmöntuonnista nopeassa laserhitsausprosessissa. Hitsin mikrorakenne eri nopeudella hitsatuissa koekappaleissa näkyy kuvassa 6. Hitsin mikrorakennekuvista nähdään, että nopeudella 150 mm/s hitsin tunkeuma on vielä varsin hyvä. Nopeudella 200 mm/s tunkeuma on vielä suurempi, mikä on mielenkiintoinen ilmiö, koska tunkeuma kasvaa nopeuden kasvaessa, vaikka yleensä käy toisin päin. Vastaava yleisestä olettamuksesta poikkeava ilmiö on havaittavissa limiliitoksien vetokokeissa saaduissa tuloksissa, joissa limiliitoksen keskiarvoinen vetolujuus on nopeudella 150 mm/s hitsatussa liitoksessa pienempi kuin 200 mm/s hitsatussa liitoksessa, kuva 2. Hitsien tunkeumat ovat riittäviä jopa 200 mm/s nopeuksilla ja hitsin kestävyys on riittävä staattisen kuormituksen suhteen. Sen sijaan ferriittisen ruostumattoman teräksen hitsit ovat mikrorakennetarkastelun perusteella todennäköisesti hauraita ja niiden kestävyys dynaamisessa iskumaisessa kuormituksessa on kyseenalaista Vertailu niittiliitokseen Niittiliitokset tehtiin tuotantolaitteilla siten, että niitin puristusvoimaksi tuli sama kuin mitä vastaavassa liitoksessa tuotannossa käytetään. Niittiliitoksen niittinä käytettiin samaa halkaisijaltaan 3,2 mm:n niittiä kuin tutkimuksen tuotteessa on käytetty. Vetokokeissa käytetty niittiliitos ei kuitenkaan täysin vastaa rakenteellisilta ominaisuuksilta varsinaisessa tuotteessa käytettyä niittiliitosta, koska tuotteessa viisteytys on tehty muovaamalla ja vetokoesauvassa lastuamalla. Vetokokeissa määritetyn niittiliitoksen lujuutta voidaan kuitenkin pitää suuntaa antavana arvona. Selvityksen kotelorakenteessa aikaisemmin käytetyt niittiliitokset ovat osoittautuneet lujuudeltaan riittäviksi. Niittiliitoksien on todettu soveltuvan hyvin ohutlevyosien liittämiseen selvityksen kohteena olevan kotelorakenteen tyyppisissä tuotteissa. Niittiliitoksien automatisoitavuus on vaativaa, mutta oikein suunniteltujen kiinnittimien avulla todennäköisesti mahdollista. Laserhitsauksen automatisoitavuus lienee helpompaa, mutta myös hitsauskiinnittimien suunnittelu on vaativaa. Molempien liittämismenetelmien, sekä niittauksen että hitsauksen automatisointi vaativat kiinnittimiltä erityisen suurta tarkkuutta ja erikoismekanismeja. Myös osien tarkkuuden on oltava riittävä. Selvityksen perusteella ja kotelorakennetta tarkastelemalla niittauksen ja hitsauksen kiinnittimet voisivat olla rakenteellisesti hyvin samantyyppisiä. Molemmissa tapauksissa kotelorakenteen eri osien kohdistus toisiinsa nähden on ensiarvoisen tärkeää. Niittauksessa korostuu etenkin niitin reikien paikoitustarkkuus. Niitin reikien tulee olla samalla kohdalla riittävällä tarkkuudella, jotta niitti menee reikiin ilman kiertoliikettä, jota usein käsin niittauksessa käytetään. Niitin asemoiminen reikään robotilla vaatii robotilta tarkkuutta ja mahdollisesti erikoisjärjestelyjä varman lopputuloksen saavuttamiseksi. Niittauksessa osien puristaminen yhteen ei ole yhtä välttämätöntä kuin hitsauksessa, koska niitti puristaa osat yhteen liittämisvaiheessa. Hitsauksessa niitin reikiä ei tarvita, joten hitsauksen automatisoinnin voidaan arvioida olevan jonkin verran helpompaa kuin niittauksessa. Hitsauksessa osien puristaminen liittämiskohdasta on tärkeää ilmaraon minimoimiseksi. Hitsauksessa ei välttämättä tarvita edes kohdistusreikiä jos osat kohdistetaan toisiinsa nähden niiden muusta geometriasta. Niittiliitoksen lujuus vetokokeissa määritettynä oli alhainen verrattuna hitsattuihin limiliitoksiin, mutta useimpiin sovelluskohteisiin varsin riittävä. Niitin puristusvoiman liitoksessa todettiin ennen vetokokeita olevan pieni, joka osittain selittäisi niittiliitoksen heikkoa lujuutta vetokokeissa. Heikon puristusvoiman takia selvityksen niittiliitoksen voidaan katsoa olevan niin sanottu muotosulkeinen liitos eikä niittiliitoksille tyypillinen kitkaliitos. Vetokokeissa niitin kanta tuli läpi liitetyn levyn reiästä. Liitetyssä levyssä sekä niitissä tapahtui plastinen muodonmuutos, joka aiheutti niittiliitoksen rikkoontumisen. Niittiliitoksen keskiarvoinen lujuus on esitetty kuvan 4 kuvaajassa katkoviivalla. Selvityksessä tehtyjen vetokokeiden perusteella laserhitsatun limiliitoksen voidaan todeta olevan 3,2 mm:n niittiliitosta kestävämpi staattisessa vetokuormituksessa. Laserhitsatun limiliitoksen tai niittiliitoksen lujuutta dynaamisessa kuormituksessa ei tutkittu, joten vertailu jää tässä tekemättä. Laserhitsattu kotelorakenne on niitattua kotelorakennetta jäykempi. 9/13

10 8.5. Tuotantoskenaariot O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I Kotelorakenteen hitsaukseen kuluvalle vaiheajalle määritettiin teoreettinen arvo. Hitsausliikkeiden matka oli kaikkiaan noin 1850 mm ja robotin paikoitusliikkeiden matka oli noin 3800 mm. Paikoitusliikkeiden matka on minimi matka, joka tarvitaan kaikkien hitsien tekemiseen. Kotelorakenteeseen tuli 24 hitsiä. Hitsausliikkeiden nopeus oli 150 mm/s ja paikoitusliikkeiden 600 mm/s. Edellä mainitut arvot pätevät hitsausohjelmalle, jota ei ole optimoitu liikeratojen tai liikenopeuksien suhteen. Taulukossa 2 on esitetty laskettu teoreettinen vaiheaika sekä koejärjestelyissä mitattu vaiheaika kotelorakenteen hitsauksessa. Vaiheajan mittaus aloitettiin siitä ajan hetkestä, kun hitsausohjelma käynnistettiin robottiohjaimelta ja päätettiin, kun viimeinen hitsaus oli suoritettu. Mitattu vaiheaika on yli nelinkertainen verrattuna teoreettiseen vaiheaikaan. Hitsauskokeissa käytetyltä laserilta kuluu useita sekunteja käynnistymiseen vielä sen jälkeen kun robottiohjelma on jo käynnistetty. Samoin tulee viivettä hiukan myös kaikissa muissakin hitsauksen aloitus- ja paikoituskohdissa. Mitattua vaiheaikaa nostaa myös epäedullinen hitsausjärjestys. Pelkästään hitsausjärjestystä muuttamalla, saadaan paikoitusliikkeiden matkaa merkittävästi lyhyemmäksi. Taulukko 2. Teoreettinen ja koejärjestelyissä mitattu vaiheaika kotelorakenteen hitsauksessa. Teoreettinen vaiheaika 1* Matka (mm) Nopeus (mm/s) Aika (s) Hitsausliike ,3 Paikoitusliike , Koejärjestelyissä mitattu vaiheaika* *Käytetty laserteho 2 kilowattia, hitsejä 24 kappaletta Edellä mainittu teoreettinen vaiheaika on vain yksi esimerkki siitä, miten vaiheaika muodostuu kotelorakenteen hitsauksessa. Vaiheajan pienentämiseen on useita vaihtoehtoja. Yksi vaihtoehto on tinkiä hitsin ulkonäöstä ja nostaa laserteho 4 kilowattiin, jolloin hitsausnopeus voidaan nostaa jopa välille mm/s. Vaiheaikaa saadaan pienemmäksi myös hitsin matkaa lyhentämällä. Todennäköisesti kotelorakenteeseen tulevien hitsien määrä ja matkaa voitaisiin pienentää oleellisesti, jolloin vaiheaika laskisi huomattavasti. Taulukkoon 3 on laskettu esimerkkejä teoreettisesta vaiheajasta, kun käytettäisiin suurempia hitsausliikkeiden ja paikoitusliikkeiden nopeuksia sekä 4 kilowatin tehoa. Taulukko 3. Esimerkki teoreettisesta vaiheajasta suuremmalla hitsausnopeudella ja suuremmalla robotin paikoitusliikkeen nopeudella. Teoreettinen vaiheaika 2** 18,6 88,0 Matka (mm) Nopeus (mm/s) Aika (s) Hitsausliike ,1 Paikoitusliike ,8 **Käytetty laserteho 4 kilowattia, hitsejä 24 kappaletta 8,9 Kotelorakenteen tehokas laserhitsaus tarkoittaisi tuotannossa sitä, että laserin tulisi olla toiminnassa lähes koko ajan. Laserin käynnissä olo aika voidaan maksimoida tuotantosolulla, jossa työkappaleen asettamisen hitsauskiinnittimeen hoitaa esimerkiksi toinen nivelvarsirobotti. Työkappaleiden hitsauskiinnittimiä tulisi olla 10/13

11 O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I useita, jotta hitsattu tuote ehditään poistaa hitsauskiinnittimestä ja uusi asettaa tilalle sillä aikaa, kun toista tuotetta hitsataan. Hitsauskiinnittimien lukumäärä määräytyy lähinnä työkappaleen asetusajasta sekä todellisesta hitsauksen vaiheajasta Tuotantolaitteet ja tuotantokustannukset Tuotantokustannuksia arvioitaessa otettiin yhteyttä TRUMPF ja Laserline laserlaitteiden maahantuojaan, Apricon Oy:n Juha Vatsiaan, jolta saatiin erilaisten tuotantokokoonpanojen hintoja ja tietoja käyttökuluista. CW laserlaitteiden hinnat ovat olleet varsin muuttumattomia vuoden 2000 alusta lähtien aina vuoden 2005 loppuun asti alussa hintoihin on tullut selvä, noin 20 % lasku, johtuen etupäässä dioditekniikan kehityksestä ja sen vaikutuksesta muihinkin laitteisiin. Tuotantolaitteiston mekaniikaksi tarvitaan kappaleen käsittelijä (robotti tai manipulaattori) sekä hitsauksen mekaniikka. Kahden robotin järjestelmä on tämäntyyppisiin järjestelyihin varsin sopiva, hinta varustuksesta riippuen k (robotin hinta k ). Robotin ja viisiakselisen lasertyöaseman hinnan ollessa huomattavasti kalliimpi (n. 1 M ). Säteenlähteenä voidaan käyttää useaa erilaista laseria hintahaitarin ollessa Laserin optiikkana on mahdollista käyttää, joko normaalia hitsausoptiikkaa (hinta 20 k ) tai skannerioptiikkaa (45 k ), skannerioptiikan ollessa pikaliikkeissä radikaalisti nopeampi. Taulukko 4. Lasersäteenlähteitä. Säteenlähteet Säteenlaatu Hitsausnopeus Käyttökulut ( /h) (ei tarkka tieto) Malli Teho (kw) Hinta (k ) (mm*mrad) (mm/s) 100 % 75 % 50 % 25 % Diodipumpattu Disk Yb:YAG ,29 4,96 4,63 4,30 Diodipumpattu Disk Yb:YAG ,58 9,92 9,25 8,60 Diodipumpattu Disk Yb:YAG ? Diodilaser, suora Ei keyhole hits. Diodilaser, kuitu Ei keyhole hits. 7,98 7,48 6,98 6,49 Lamppupumpattu Nd:YAG (arvio) 10,82 8,63 6,59 4,58 Lamppupumpattu Nd:YAG (arvio) 14,42 11,51 8,78 6,10 Kuitulaser 2 350? 200 (arvio) Kuitulaser 4 450? 450 (arvio) Kuitulaser 6 600?? Tiedot: Apricon Oy, Juha Vatsia, 28,03,2006 Tuotantolaskelma on tehty kahden robotin solulle siten, että kappaleen käsittelyaika-arvio on = 20 s.. Hitsauksessa on tässä arvioitu hitsausmatkaa ja järjestystä optimoimalla päästävän alle 10 s hitsausaikoihin. Kappaleaika 30 s. Tuotantotahti siis 2 kappaletta minuutissa. Niittaukseen arvioitu aika kappaleelle on 25 sekuntia, jolloin kappaleaika vastaavin järjestelyin olisi 45 s ja tuotantotahti 1,3 kappaletta minuutissa. Taulukko 5. kustannuslaskelma Kustannuslaskelma Investointi TuotantonpeusKappaleen Valmistustapa (k ) kpl/h työhinta ( ) 1 Niittaus , ja 2. Niitin hinta X /1000 kpl 2 Niittaus , ja 2. 2x robotti (a 100k ) + 1 k niittauslaitteistot 3 Dp Disk 2 kw , ja 4 2x robotti + laser + optiikka 4 Lp Nd:YAG 3 kw ,03817 Työhinta ei sisällä investointikustannuksia Hintavertailussa niittauksen huomattavasti halvemmat investointikustannukset vaikuttavat siten, että laserliittämistä ei voi helposti perustella taloudellisilla argumenteilla. 11/13

12 Kiinnittimet O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I Kotelorakenteen automaattisessa kokoonpanossa tarvittavan kiinnitinjärjestelmän suunnittelussa on huomioitava seuraavat asiat: Kannen asennus kotelon sisäpuolelle takareunan puolelta Kohdistusta varten reiät kannen kotelon päällä ja takareunassa Riittävä puristava voima saatava yläpuolen pitkiin liitoksiin ja takareunan särmättyjen osuuksien liitoksiin Hitsaukselle on jäätävä tilaa Kokoonpanon automatisointia tutkittiin kokeilemalla kotelon osilla käsin erilaisia vaihtoehtoja. Yksi vaihtoehto on, että robotti poimii ensin kannen ja ottaa kannella rungon mukaansa. Tällöin Kansi ja runko ovat valmiiksi yhdessä jigiin vietäväksi. Toinen vaihtoehto on viedä runko ensin kiinnittimeen ja liuttaa kansi paikalle tämän jälkeen. Kannen pitkien sivujen puristusvoima saadaan aikaan esim. kotelon sisälle etupuolelta menevällä rungolla ja päältäpäin tätä runkoa vasten puristavalla painimella. Puristusvoiman tuottamiseen sopii paineilma tai sähkö ja ohjaus voidaan toteuttaa robotin ohjauksen kautta. Tarkka asennus saadaan joko oikein mitoitetuilla paikoitusrei illä tai aktiivisella jigillä, joka pakottaa kotelon oikeaan mittaan. Yläpuoli A Leikkaus A-A Alapuoli Kuva periaatteellinen! A Takareuna Kuva 7. Liitäntäjigin periaatekuva. Esitetty jigi sopii sekä hitsaus että niittiliitoksiseen ratkaisuun. Niittiliittämisessä ongelma automaation kannalta on niitin vaatima paikoitustarkkuus, joka voi aiheuttaa robottiratkaisussa ongelmia. Toisaalta niittauksessa työkalu on edullinen, jolloin voisi olla kannattavaa tehdä tuotteelle sellainen kiinnitin, jossa on tarvittavat 16 niittauspistoolia ja joka liittää rakenteen kaikki niitit samanaikaisesti. 12/13

13 9. Johtopäätökset O U L U N E T E L Ä I S E N I N S T I T U U T T I Selvityksen perusteella materiaali AISI 430 soveltuu tietyin varauksin laserhitsaukseen. Kyseiseen materiaaliin tehdyn limiliitoksen staattinen vetolujuus vetokokeilla määritettynä on riittävän hyvä useimpiin sovelluskohteisiin. Hitsin kestävyyttä dynaamisessa kuormituksessa ei määritetty. Mikrorakennetarkastelussa havaittiin, että materiaaliin AISI 430 tehdyn hitsin raekoko on suuri, jolloin hitsin kestävyys dynaamisesti kuormitetuissa kohteissa voi aiheuttaa ongelmia. Suuri raekoko lisää hitsin haurautta, joka on ongelma erityisesti väsyttävässä ja iskumaisessa kuormituksessa. Hitsin kestävyyden arviointi dynaamisessa kuormituksessa vaatisi lisätutkimuksia. Limiliitoksen todettiin soveltuvan hyvin lisäaineettomalle laserhitsaukselle. Selvityksen hitsauskokeissa materiaalia AISI 430 hitsattiin kahdella eri teholla. Kahdella kilowatilla hitsistä saatiin ulkonäöltään parempi tasoista kuin neljällä kilowatilla hitsattaessa. Neljällä kilowatilla hitsattaessa päästään suuriin hitsausnopeuksiin sekä staattisessa vetokuormituksessa lujiin hitseihin. Koejärjestelyissä käytetyn robottityöaseman tyyppinen 3D-robottisolu soveltuu kokemuksien perusteella hyvin selvityksen kohteena olevan kotelorakenteen hitsaamiseen. Yb:Yag-laserin hyvä säteenlaatu mahdollistaa pienen säteenhalkaisijan, josta on etua hitsauksessa. Pieni polttopiste mahdollistaa syvätunkeumahitsauksen suurilla hitsausnopeuksilla. Suurella hitsausnopeudella ja pienellä polttopisteellä lämmöntuonti työkappaleeseen on vähäistä. Optimoitu lämmöntuonti vähentää ferriittisillä ruostumattomilla teräksillä hitsin raekoon kasvua. Koejärjestelyissä käytetyssä robottityöasemassa käsittelylaite mahdollistaa työkappaleen optimaalisen asemoinnin hitsauksen aikana, jolloin robotin liikeratoja voidaan optimoida paremmin ja saavuttaa lyhyet vaiheajat hitsauksessa. Niittaukselle sekä hitsaukselle soveltuvat kiinnittimet voisivat olla rakenteeltaan hyvin samantyyppisiä. Niittauksessa korostuu niitin reikien paikoitustarkkuus, kun taas hitsauksessa liitettävien osien yhteen puristuminen on tärkeää hitsin laadun varmistamisessa. Tuotantolaskelmien perusteella uudentyyppisellä disklaserilla on saavutettavissa tuotannossa alhaisin työhinta yhtä tuotetta kohden. Niittaus on valmistustavoista investointikustannuksiltaan alhaisin. Lasereista lamppupumpatun laserin investointikustannukset ovat hiukan alhaisemmat verrattuna disk-laseriin, mutta tuotannossa disk-laserin käyttökulut ovat huomattavasti alhaisemmat kuin lamppupumpatulla laserilla. Kyseisen tuotteen kokoonpanon automatisointi on toteutettavissa kahdella robotilla ja aktiivisella kiinnitinratkaisulla. Laserhitsaus on robottiniittausta nopeampaa, mutta hitaampaa kuin jigiin rakennetulla 16 niitin järjestelmällä, jonka toimintavarmuudesta lienee kyseenalainen. Niittiliitoksessa huomioitava myös suuri niittimäärä, robottiniittauksessa menee 1440 niittiä tunnissa ja niittijigin kassa yli kaksituhatta, jolloin niittien syötöstä prosessiin voi tulla suuriakin ongelmia. Laserhitsauksen investointikustannukset ovat korkeat, mutta liitäntäkustannukset ovat kohtuullisen alhaiset, joten suurilla määrillä laserliittäminen on edullisempaa. Laserlaitteiden hinnan laskemisen myötä liittämismenetelmän taloudellisuus paranee. Lisäselvitystarpeita: Laserhitsatun limiliitoksen lujuus iskumaisella kuormalla ja dynaamisella kuormalla Rakenteen hitsin optimointi. Pituus ja paikat. Materiaalin käyttäytyminen sulattavassa laserhitsauksessa Jigin rakenteen suunnittelu ja prototyyppijgin rakentaminen Kustannuslaskelmien tarkentaminen 10. Lähteet 1. Kujanpää, Veli; Salminen, Antti; Vihinen, Jorma. Lasertyöstö. Tammer-paino Oy. Tampere s. ISBN Kyröläinen, Antero; Lukkari, Juha. Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. Metalliteollisuuden kustannus Oy. Gummerus Kirjapaino Oy. Jyväskylä s. ISBN Ohutlevyjen liittäminen. Metalliteollisuuden keskusliitto, Tekninen tiedotus 7/99. Metalliteollisuuden kustannus Oy. Jyväskylä s. ISBN /13