Cold Metal Transfer (CMT) hitsauspinnoitus: metallirakenteiden pinnoittaminen ja korjaus, menetelmän erityispiirteet ja hyödyt J. Tuominen Materiaaliopin laboratorio Tampereen teknillinen yliopisto
Lyhytkaarihitsaus (MIG/MAG) Jatkuva langansyöttö Kaari syttyy ja sulapisara irtoaa suurella oikosulkuvirran arvolla -> roiskeita, suurehko lämmöntuonti 2
CMT-sykli Edestakainen langansyöttö Sulapisara irtoaa pienellä oikosulkuvirran arvolla -> Ei roiskeita, pieni lämmöntuonti 3
CMT:n ominaisuudet Pitkälle kehitetty MIG/MAG (teräs-alumiiniliitokset, ohuet levyt 0.3mm) Digitaalinen virtalähde Nopea ja tarkka mikroprosessoriohjattu prosessinhallinta Integroitu langanliike (140Hz asti) Max I = 280 A Umpilangat Ø1.2mm asti Täytelangat Ø1.6mm asti Single wire, ~5kg/h Twin wire, ~10kg/h Digitaalinen prosessinohjaus havaitsee lyhyen oikosulun, jonka jälkeen sulapisara irtoaa vetämällä lankaa taaksepäin. Edut: Vakaa valokaari Vähän roiskeita Pieni lämmöntuonti Alhainen tunkeuma Korkea tuotto Korkea materiaalihyötysuhde Energiatehokas (wall-plug, process) Energia aggregaatilla Hitsaus kohteessa Edullinen hinta Ei optisia komponenttejä Alhaiset turvatoimet Adaptiivinen prosessinsäätö??? jari.tuominen@tut.fi 5.6.2017 4
CMT Langansyötin (työntömoottori, nelipyöräsyöttö) Lankapuskuri Virtalähde Poltin Jäähdytin Vetotyöntömoottori Monitoimijohto Ohjain Lankapuskuri CMT Advanced: napaisuuden vaihto oikosulun aikana 5
High-speed video image of CMT process Polttimen veto-työntörullat (vaihteeton vaihtovirta servomoottori) 6
CMT TTY:llä Mechanical torch cleaner Fronius CMT Advanced 4000R single wire o 400A (50%), 320A (100%) kuormitusaikasuhde ABB IRB 4600-40/2.55 (40kg) + ABB IRBP A-750 pyörityspöytä (700kg) Tiedonkeruu, 10ms (Stjerna 2017) 7
CMT toimintaperiaate Synergialinjahitsaus (yksinuppisäätö, langansyöttönopeus) Hienosäätö: Arc length correction (ALC) ja dynamic correction (DC) DC vaikuttaa oikosulkuvirran määrään ALC vaikuttaa kaaren pituuteen (ja langan nopeuteen ja taajuuteen) Synergialinjalla olevia pisteitä voidaan myös muokata ja tallentaa uusi käyrä DI-työ (Tapiola 2017) 8
Kilpailevat menetelmät Jetline Engineering (Controlled Short Circuit (CSC)), prosessinohjaus, voidaan asentaa eri hitsausvirtalähteisiin, langat Ø2.4mm asti, USA SKS Welding Systems (micro-mig), Saksa Panasonic (Active Wire Process (AWP)), Japani Panasonic Active Wire Process SKS micromig Jetline 9
Lämmöntuonti pinnoituksessa Menetelmä Hitsausenergia Lämmöntuonti Tuotto CMT suora palko 150-206 J/mm 135-185 J/mm 3 5 kg/h CMT vaaputus 385-883 347-795 3-5 Laser jauhe 60-210 30-105 0.5-2.0 Laser kylmälanka 84-140 42-70 1.8-2.0 Laser kuumalanka 86 52 5 η = terminen hyötysuhde hitsauksessa (CMT 0.9, laser 0.5) Laserjauhe Laserlanka 10
Materiaalit Low alloy steels (G3Si1,4130, 4140, 300M) High strength steels (Aermet 100, 4340, 300M, Ferrium S53) Tool steels (P20, M4, H13, CPM 10V, X42Cr13) Hadfield-steels (12-19%Mn, 1.1-1.4%C, 0-2.5%Cr) Maraging steels (low C ultra high strength) Invar steels (FeNi36) CMT:llä tehtyä Stainless steels (304L, 316L, 347, 254SMO, 2205, 2509, 431, 17-4 PH) Hardfacing alloys (Stellites, Norem, Nanosteel, Self-fluxing alloys) Superalloys (Inconel 625, 686 & 718, Hastelloy, Monel, CMSX-4, René, high-cr NiCr) Titanium alloys (Ti-6Al-4V, Ti6242, Ti grade 2) Copper alloys (CuAl, CuNi, CuAlNi, CuSn, CuSi3) Aluminium alloys (4043, 2319, 5356, 5087, AlSi10Mg, AlSi12, AlSi7Mg) Magnesium alloys Refractory metals (W, Mo, Ta) MMCs (WC/W 2 C-NiBSi, VC-tool steel, SiC-Al, synthetic diamonds) Solid lubricant embeddings (MoS 2, WS 2, CaF 2, graphite) Intermetallics (Cr 13 Ni 5 Si 2, MoSi 2, FeAl,, TiAl, NiTi) Gradient layers (FGM) (metal matrix composites, monolithes) Development of new alloys (high entropy alloys, glassy metals) 11
2xxx Al 415 J/mm, kovuus??? CMT: 2319 -> 2024 (Pickin et al., 2011, UK) ~80 J/mm Laser-DED powder: 2024 -> A357 (Fierro, 2015, Italy) Laser-DED powder: 2024 -> 2024 (Fierro, 2015, Italy) 12
2xxx Al Kaarimoodin vaikutus huokosiin Al-6.3%Cu (AA2319 -> AA2219) CMT, CMT pulse, CMT Advanced, CMT pulse advanced Kaarimoodilla suuri vaikutus huokosiin CMT tuottaa paljon huokosia, CMT pulse advanced paras 112-367 J/mm Cong et al. 2015 UK 13
6xxx Al 5356 Al -> 6061 Al CMT pulse, microhardness map Benoit et al. 2015 France 161 J/mm 14
7xxx Al Clad Substrate Laser-DED powder & wire: 4043 Al ja 4047 -> 7075 Al torpedo shells (Naval Undersea Warfare Center, ARL PennState, USA, 1996) 40 J/mm Laser-DED powder: Al-12%Si on 7075 Al (Liu et al., 2011, Australia) 15
Titaani Suojakaasukammio tai -kenkä MIG epästabiili titaanin kanssa, kaari vaeltaa, laser stabiloi kaaren TIG, plasma ja laser parempia titaanin kanssa CMT:stä etua MIG:iin nähden (ei roiskeita, stabiilimpi kaari) Laser-DED powder: Dual wall duct Ti-6Al-4V JSF engine (Lens) CMT: Ti-6Al-4V -> Ti-6Al-4V (Sequeira-Almeida et al., 2010, UK) CMT: Ti-6Al-4V, out-ofchamber (Kapustka 2015) 16
Titaani Laser-DED powder: Repair of F/A-18 engine mount, Ti-6Al-4V, (Walker et al, 2016, DST Group, Australia) 17
Superseokset (Ni) CMT: IN718 onto IN718 (Benoit et al., 2011, France) CMT: IN718 onto IN718 (Ola et al., 2014, Canada) Laser-DED powder: Single-crystal & directionally solidified alloys (Krause 2001, Netherlands) 18
Suurlujuusteräkset Laser-DED powder: Anti-rotation bracket, Mixture AISI420 + SS316 -> 17-4PH (Liu et al., 2014, Australia) AISI420 -> 17-4PH (Liu et al., 2014, Australia) AISI420 + SS316 -> 17-4PH (Liu et al., 2014, Australia) Laser-DED powder: Flange in forward hanger assembly, Mixture AISI420 + 17-4PH -> PH 13-8 Mo (Liu et al., 2014, Australia) (Bore damage, SS -> 4140 steel, Frith, 2016, Australia) 19
Suurlujuusteräkset Laser-DED jauhe: AerMet 100 onto AerMet 100 Lourenco et al. 2016 As-clad 20
Suurlujuusteräkset Laser-DED powder: 4340 -> 4340, hardness map as-clad, post-weld heat treatment (Sun et al., 2012, Australia) TIG-DED wire: 300M UHSS (Skiba et al. 2010) Laser-DED powder: Corrosion resistant UHSS Ferrium S53 landing gear (TWI, UK) 21
Magnesiumseokset Laser-DED powder: Elektron MAP 43 Mg (T. Palmer, PennState, USA) 22
Materiaalia lisäävä valmistus CMT:llä; CADistä kappaleeksi. CAD Suunniteltavat piirteet, kappaleen sopivuus valmistusmenetelmä än Kerrostaminen & G-koodin generointi Kerrosten suunta, paksuus ja muoto G-koodin simulointi Simulointi ABB ROBOTTI + CMT CMT tyypin valinta, parametrien valinta Robotin parametrien valinta, radan tarkistus Emmi Välimäki 5.6.2017 1
Laserlaboratorion demo: Alustan koko:150x150x6 mm Lanka: AlSi5 ᴓ1,2 Prosessi: CMT Langan syöttö: 7-5 m/min Suuttimen nopeus: 8 mm/s Vaaputus: 16 mm leveys; 2 mm pituus Emmi Välimäki 5.6.2017 2
Laserlaboratorion demo: Emmi Välimäki 5.6.2017 3