Examensrapport_Siemens_offentlig

EXAMENSARBETE
Högskoleingenjör, Maskinteknik
Institutionen för ingenjörsvetenskap
2014-06-04
Påläggssvetsning av kylturbulatorer
med CMT- teknik
Jesper Halmsjö Karl Hansen Andreasson

EXAMENSARBETE
i
Påläggssvetsning av kylturbulatorer med CMT-teknik
Sammanfattning
Siemens Industrial Turbomachinery i Trollhättan tillverkar främst brännkammare till
gasturbiner. En av de viktigaste produkterna är brännkammare till gasturbinen SGT-800. I
ett av tillverkningsstegen svarvas i dagsläget kylturbulatorer fram ur brännkammarmanteln.
Turbulatorernas syfte är att skapa turbulens i luftflödet och på så vis kyla konstruktionen.
Siemens anser att det av flera anledningar vore fördelaktigt att ersätta dagens avverkande
tillverkningsprocess med en additiv tillverkningsmetod. Projektet har undersökt
påläggssvetsning av kylturbulatorer med hjälp av Cold Metal Transfer-teknik. CMT är en
vidareutveckling av MIG-svetsning med lägre värmeöverföring och sprutfri deponering.
Införande av den nya tekniken skulle teoretiskt sett innebära ekonomiska besparingar samt
förkortade ledtider och transporter.
En kvantitativ studie med svetsförsök har utförts på PTC, Trollhättan. Målet har varit att
uppnå en viss storlek och geometri på svetsrillan. Svetsförsöken är baserade på statistisk
försöksplanering. Resultatet av försöken ligger till grund för regressionsmodeller över hur
val av svetsparametrar påverkar rillans höjd, bredd, vinkel, inträngning och värmeöverföring.
Optimering ledde till rillor med goda metallurgiska egenskaper, fria från sprickor och bindfel,
där dimensionerna ligger inom kravbilden. De optimerade parametrarna användes därefter
vid tillverkning av sicksack-formade turbulatorer, ett mönster vilket tros höja kylningen av
brännkammarmanteln. Samtliga försök har varit begränsade till svetsning på raka plåtar.
Datum: 2014-06-04
Författare: Jesper Halmsjö, Karl Hansen Andreasson
Examinator: Fredrik Sikström, Högskolan Väst
Handledare: Kjell Hurtig, Högskolan Väst
Tony Johansson, Thomas Wahlberg, Siemens Industrial Turbomachinery AB
Huvudområde: Maskinteknik
Poäng: 15 högskolepoäng
Nyckelord: Additiv tillverkning, Påläggssvetsning, CMT, Metal deposition, Brännkammare, Haynes
230
Utgivare: Högskolan Väst, Institutionen för ingenjörsvetenskap,
461 86 Trollhättan
Tel: 0520-22 30 00 Fax: 0520-22 32 99 Web: www.hv.se

BACHELOR’S THESIS
ii
Construction of Cooling Ribs Using CMT-Technology
Summary
Siemens Industrial Turbomachinery in Trollhättan, Sweden, manufacture combustion
chambers for gas turbines. One of the most important products is the combustion chamber
of the SGT-800 gas turbine. Cooling ribs are currently machined out of the combustor
casing. Their purpose is to cool the construction through generating turbulence from the air
flow. Siemens want to investigate the possibility of replacing the current manufacturing
method with an additive manufacturing method. This study focuses on investigating the
possibility of utilizing Cold Metal Transfer technology. CMT is derived from GMAW and
offers a lower heat input and splatter free welds. An implementation of CMT-technology
would theoretically lead to reduced lead- and transport times as well as cost savings.
A quantitative study involving CMT-welding was carried out at PTC, Trollhättan. The aim
was to create welded ribs of a certain geometry and size. Factorial design of experiments was
used. Regression models of how welding parameters influenced the height, width, angle,
penetration and heat transfer of the welded rib were created. The regression models were
based on the results of the experiments.
Optimization of the process led to ribs with good metallurgical properties, free from cracks
and lack of fusion. The dimensions were within the required limits. The optimized process
was used to weld a zigzag pattern, which is believed to enhance the level of cooling. All
experiments were limited to flat surfaces.
Date: June 4, 2014
Author: Jesper Halmsjö, Karl Hansen Andreasson
Examiner: Fredrik Sikström
Advisor: Kjell Hurtig, University West
Tony Johansson, Thomas Wahlberg, Siemens Industrial Turbomachinery AB
Programme: Bechalor of Science, Mechanical Engineering
Main field of study: Mechanical Engineering Education level: first cycle
Credits: 15 HE credits
Keywords Additive Manufacturing, CMT, Cold Metal Transfer, Metal deposition, Combustion
chamber, Haynes 230
Publisher: University West, Department of Engineering Science,
S-461 86 Trollhättan, SWEDEN
Phone: + 46 520 22 30 00 Fax: + 46 520 22 32 99 Web: www.hv.se

iii
Förord
Följande examensarbete är ett avslut av våra treåriga studier inom maskinteknik på
Högskolan Väst. Examensarbetet har baserats på en teoretisk förstudie i syfte att kunna
utföra de praktiska försök vilka ingått i arbetet. Delar av teorikapitlet är hämtade från
förstudien.
Projektet uppkom då Siemens ville undersöka möjligheterna att ersätta ett av dagens
produktionssteg, där kylturbulatorer på en brännkammarmantel svarvas fram. Detta
examensarbete är en undersökning av Metal Deposition-metoden CMT-svetsning.
Vi vill rikta ett stort tack till våra handledare på Siemens i Trollhättan, Tomas Wahlberg och
Tony Johansson. Ett lika stort tack riktas till Kjell Hurtig, vår handledare på Högskolan Väst.
Handledningen har från båda håll varit utmärkt. I övrigt vill vi tacka Andreas Hammarström
på Axson AB och Daniel Lörstad på Siemens i Finspång.
Författarna äger, eller har fått godkännande att använda samtliga bilder, figurer och tabeller
i denna rapport. Rapporten är belagd med viss sekretess.
Trollhättan, juni 2014
Jesper Halmsjö Karl Hansen Andreasson

iv
Innehåll
Sammanfattning .................................................................................................................................i
Summary.............................................................................................................................................ii
Förord................................................................................................................................................iii
Nomenklatur....................................................................................................................................vii
1 Inledning......................................................................................................................................1
1.1 Företagsbeskrivning.........................................................................................................1
1.2 Produktbeskrivning..........................................................................................................1
1.2.1 Kylturbulatorer ...................................................................................................1
1.3 Bakgrund ...........................................................................................................................2
1.4 Frågeställning....................................................................................................................2
1.5 Syfte....................................................................................................................................3
1.6 Mål......................................................................................................................................3
1.7 Avgränsningar...................................................................................................................4
2 Teori.............................................................................................................................................5
2.1 Metal Deposition..............................................................................................................5
2.2 CMT...................................................................................................................................7
2.2.1 CMT-processen ..................................................................................................7
2.2.2 Fördelar hos MD med CMT-teknik................................................................8
2.2.3 Nackdelar hos MD med CMT-teknik.............................................................8
2.2.4 CMT kontra laser med tråd...............................................................................9
2.2.5 CMT-pin..............................................................................................................9
2.3 Statistisk försöksplanering ............................................................................................10
2.4 Regressionsmodeller......................................................................................................10
2.4.1 Tolkning av regressionsmodeller ...................................................................12
2.4.2 Framtagning av regressionslinje .....................................................................14
2.4.3 Verifiering av regressionsmodeller med ANOVA ......................................14
2.5 Analys av svetsar ............................................................................................................15
2.5.1 Svetsdefekter.....................................................................................................15
2.5.2 Analysmetoder..................................................................................................16
2.6 Tillsatsmaterial................................................................................................................17
2.6.1 Haynes 230........................................................................................................17
2.6.2 Inconel 625........................................................................................................18
2.7 Tidigare arbeten inom Metal Deposition ...................................................................18
2.7.1 Rapport 1...........................................................................................................18
2.7.2 Rapport 2...........................................................................................................19
2.7.3 Rapport 3...........................................................................................................19
2.7.4 Rapport 4...........................................................................................................20
3 Samarbete med konstruktionsavdelningen på Siemens i Finspång ..................................21
4 Metod.........................................................................................................................................23
5 Utförande av experiment ........................................................................................................23
5.1.1 Tillvägagångssätt vid SFP-försök...................................................................23
5.1.2 Tillvägagångssätt vid svetsanalys....................................................................23
5.1.3 SFP-försök 1 .....................................................................................................25
5.1.4 SFP-försök 2 .....................................................................................................25
5.1.5 Regressionsmodeller ........................................................................................25
5.1.6 Optimering av raka rillor.................................................................................26

v
5.1.7 Optimering av sicksack rillor..........................................................................26
5.1.8 Lutande profil ...................................................................................................27
5.1.9 CMT-pin............................................................................................................27
6 Resultat ......................................................................................................................................28
6.1 Besök hos Axson............................................................................................................28
6.2 Undersökning av styrande parametrar........................................................................29
6.3 Statistisk försöksplanering ............................................................................................30
6.3.1 Parameterundersökning...................................................................................30
6.3.2 SPF-försök 1 .....................................................................................................30
6.3.3 SFP-försök 2 .....................................................................................................30
6.4.1 Modell över höjd..............................................................................................31
6.4.2 Modell över bredd............................................................................................32
6.4.3 Modell över inträngning..................................................................................33
6.4.4 Modell över vinkel............................................................................................35
6.4.5 Modell över värmeöverföring.........................................................................36
6.4.6 Sammanfattning av regressionsmodeller ......................................................37
6.5 Optimering av raka rillor...............................................................................................37
6.5.1 Form och dimensioner....................................................................................38
6.5.2 Metallurgiska egenskaper.................................................................................39
6.5.3 Hårdhetsprovning med Vickers metod.........................................................40
6.6 Optimering av sicksack rillor........................................................................................41
6.7 Lutande Profil.................................................................................................................41
6.8 CMT-pin..........................................................................................................................42
7 Analys och diskussion..............................................................................................................42
7.1 Mål....................................................................................................................................42
7.2 SFP-försök ......................................................................................................................43
7.4 Försöksresultat ...............................................................................................................43
7.5 Analys av start- och stoppsekvenser ...........................................................................44
7.6 Noggrannhet av robot och processvariation .............................................................44
7.7 Värmetillförsel under svetsprocessen..........................................................................45
7.8 Välvda ytor......................................................................................................................45
8 Slutsatser....................................................................................................................................46
9 Framtida arbete.........................................................................................................................47
9.1 Mindre tråddiameter......................................................................................................47
9.2 SFP-försök för stabil höjd och bredd .........................................................................47
9.3 Praktiska försök: Utmattningstest och flödestest......................................................47
9.4 Välvda ytor......................................................................................................................47
9.5 Start- och stoppsekvenser.............................................................................................47
9.6 Utformning av svetsfixtur.............................................................................................47
9.7 Lutande profil.................................................................................................................48
9.8 Laser med pulver............................................................................................................48
9.9 CMT-pin..........................................................................................................................48
9.10 Kravbild över CMT som tillverkningsmetod.............................................................48
9.11 Synergilinje anpassad för MD ......................................................................................48
Källförteckning................................................................................................................................49

vi
Bilagor
A. Svetsförsök
B. Robotprogram
C. Regressionsmodeller
D. Hårdhetsmätning med Vickers
E. Mikro- och makroanalys av Sicksack-rillor

vii
Nomenklatur
ANOVA Analysis Of Variance
BLK Båglängdskorrigering
CMT Cold Metal Transfer
CAD Computer Aided Design
CAM Computer Aided Manufacturing
DK Dynamikkorrigering
GMAW Gas Metal Arc Welding (På svenska MIG/MAG)
HAZ Heat Affected Zone: Det område i basmaterialet där
mikrostrukturen påverkas av värme från svetsprocessen.
HV Högskolan Väst
Kryogena temperaturer Temperaturer under -150°C
MAG Metal Active Gas
MD Metal Deposition
MIG Metal Inert Gas
PTA Plasma Transferred Arc welding
PTC ProduktionsTekniskt Centrum
SFP Statistisk Försöksplanering
SGT Siemens Gas Turbine
SIT Siemens Industrial Turbomachinery
Synergilinje Förinställningar av svetsutrustning för godtyckliga svetsresultat
TIG Tungsten Inert Gas
Ts Framföringshastighet
Wfs Trådmatning

1
1 Inledning
Nedan följer en presentation om företaget Siemens samt deras produkter. Här beskrivs även bakgrund
följt av syfte och begränsningar med detta projekt.
1.1 Företagsbeskrivning
Siemens är en världsomspännande teknikkoncern med cirka 360 000 anställa och verkar
i över 190 länder. Under finansåret 2013 uppgick intäkterna till 670,5 miljarder SEK,
med en vinst på 51,2 miljarder SEK. Verksamheten är indelad i fyra sektorer: industri,
hälsovård, infrastruktur och energi. Siemens i Trollhättan ingår i den sistnämnda.
Energisektorn har totalt cirka 83 500 anställda. Under finansåret 2013 genererades
intäkter på totalt 235,1 miljarder SEK, med en vist på 17,7 miljarder SEK (34,6% av
Siemenskoncernens totala vinst). [1] [2] [3]
1.2 Produktbeskrivning
Siemens i Trollhättan specialiserar sig på svetsning, pressning/formning och
laserbearbetning av rostfria, nickellegerade och värmebeständiga stål. De tillverkar
främst brännkammare till Siemens stationära gasturbiner, vilka sammanställs på
Siemens i Finspång. De fyra huvudprodukterna är brännkammare till gasturbinerna
SGT-600, SGT-700, SGT-750 och SGT-800. Turbinerna används vid energigenerering
från exempelvis vatten, vind, och gas men också som mekaniska drivenheter,
exempelvis inom offshoreindustrin. [3] [4]
1.2.1 Kylturbulatorer
I brännkammaren för SGT-800 ingår bland annat två komponenter, vilka benämns inre
och yttre mantel. På dessa mantlar sitter det kylturbulatorer. Deras uppgift är att skapa
turbulens i det inkommande luftflödet, för att på så vis kyla konstruktionen. I dagsläget
svarvas kylturbulatorer fram ur en tjocka brännkammarmantlar. Operationen utförs
idag av en extern leverantör vilket leder till höga kostnader och långa ledtider. Den
nuvarande kravbilden presenteras i figur 1. [5]
Figur 1: Dagens kravbild (t.v.) och en yttre brännkammarmantel från SGT-800 med svarvade kylturbulatorer (t.h.).

2
1.3 Bakgrund
Svetsning med CMT-teknik påstås vara en användbar metod för materieluppbyggnad
genom påläggssvetsning. De brännkammarmantlar vilka tillverkas på Siemens i
Trollhättan, har som ovan nämnt, långa och kostsamma operationssekvenser i form av
svarvning. Det skulle vara fördelaktigt att ersätta dagens tjocka plåtartikel med en
tunnare plåt. Detta blir möjligt vid användning av additiv tillverkning då material
adderas istället för att avverkas. En förutsättning är att kylturbulatorer uppbyggda med
additiv tillverkning ger geometrier motsvarande konstruktörernas kravbild, samt leder
till ekonomiska besparingar.
Det har tidigare utförts arbeten inom detta område, då genom ett examensarbete på
HV samt forskningsprojekt på Produktionstekniskt Centrum (PTC) i Trollhättan.
Arbetet behandlade additiv tillverkning där laser användes för deponering av
tillsatsmaterial i form av tråd. Siemens vill nu undersöka möjligheten att använda CMT-
teknik för utförande av samma operation.
1.4 Frågeställning
Vid byte av tillverkningsprocess från svarvning till MD med CMT-teknik uppstår vissa
problemområden. Områdena omfattar toleranser, förhållandet mellan form och
metallurgiska egenskaper samt ökad värmepåverkan.
Vid tillverkning av kylturbulatorer med MD-teknik skiljer sig det geometriska
utfallsrummet från det vid avverkande bearbetning. Dagens kravbild är anpassad efter
avverkande processer och innehåller skarpa kanter vid kylturbulatorns topp. De skarpa
kanterna går inte att tillverka med MD-teknik utan efterbearbetning. Då CMT är en
pulserande metod kommer även snäva formtoleranser vara svårt att uppnå. Därför
krävs en revision av dagens kravbild anpassad för CMT som tillverkningsmetod.
CMT är en GMAW-metod vilken ger en låg värmeöverföring jämfört med traditionella
svetsmetoder. Den låga värmetillförseln påverkar både de metallurgiska egenskaperna
hos svetssträngen, samt dess form och inbränning i basmaterialet. En utmaning under
projektet kommer då bli balansen mellan form, metallurgiska egenskaper, inträngning
och svetshastighet.
Vid svetsning värms basmaterialet upp i mycket högre grad än vid avverkande
bearbetning. En viss nivå av uppvärmning är nödvändig för att tillräcklig inträngning
ska erhållas. Dock bör HAZ hållas minimal. Värmetillförsel skapar även spänningar i
basmaterialet vilka kan leda till permanenta deformationer. Detta kommer inte vara
något problem under själva projektet men skulle bli en viktig faktor vid eventuell
implementering av tekniken.

3
1.5 Syfte
Syftet med projektet är att undersöka om additiv tillverkning med CMT-teknik har
potential att ersätta dagens avverkande bearbetning. För att tekniken ska ses som ett
alternativ krävs att kravbilden uppfylls, både geometriskt och metallurgiskt samt att en
implementering är ekonomiskt försvarbar.
1.6 Mål
 Bygga upp förståelse för hur konstruktionsavdelningen resonerar kring
kravbilden för kylturbulatorer. Förståelsen krävs för att veta i vilken riktning
optimering av svetsgeometrier skall ske.
 Följande svetsprover ska utföras:
1. Svetsförsök på plan plåt med raka strängar. Syftet är att åstadkomma
en sinusformad rilla motsvarande kravbilden från
konstruktionsavdelningen. Det är önskvärt att uppnå geometrin med
en passering, men inte nödvändigt.
2. Svetsa rillor i sicksackmönster med långa raksträckor och minimal
radie. Genomförande sker först då rillor i steg 1 ger önskvärda
resultat.
3. Undersöka om en lutande profil går att åstadkomma.
4. I mån av tid kommer undersökning av CMT-pin utföras för att
demonstrera vilka geometrier som går att tillverka.
 Identifiera huvudparametrar med hjälp av SFP.
 Ta fram regressionsmodeller över hur svetsparametrar påverkar resultatet i
form av rillans höjd, bredd, vinkel, inträning och värmepåverkan.
 Om utförda svetsförsök uppfyller kravbilden ska provdetaljer avsedda för
provning i strömningsrigg tas fram.

4
1.7 Avgränsningar
 Fokus ska ligga på att ta fram en rilla med önskad geometri. Hur rillorna
påverkar strömningsmekaniken i brännkammaren kommer att lämnas till
konstruktionsavdelningen i Finspång.
 Två metoder kommer att provas i mån av tid. Proverna kommer att inledas med
CMT-teknik. Om önskade resultat uppnås i god tid, alternativt att CMT-
tekniken inte visar lovande resultat, kommer istället MD med pulver och laser
undersökas.
 Prover kommer att utföras på raka plåtar med tjockleken 3-6,75 mm. Plåten i
fråga kommer att vara kallvalsad, slipad och tvättad med aceton. En rilla
kommer därefter läggas i syfte att värma upp plåten.
 Start- och stoppsekvenser kommer inte att analyseras.
 Hårdhetsprov med Vickers metod kommer endast att utföras på optimerade
rillor.
 Kostnadskalkyler utelämnas ur arbetet under samråd mellan handledare och
examinator.

5
2 Teori
Kapitlet behandlar teori som ligger till grund vid utförande av projektet. Syftet är att ge läsaren en
djupare förståelse.
2.1 Metal Deposition
Metal Deposition, på svenska även kallat påläggssvetsning, är en additiv
tillverkningsmetod. Tekniken kan användas som ett komplement, eller substitut, till
konventionell skärande bearbetning vilket idag dominerar marknaden. Metoden bygger
på att lager för lager deponera tillsatsmaterial på en yta. På så vis kan en metallgeometri
byggas upp. Metoden är speciellt användbar vid tillverkning av prototyper, då man
snabbt vill bygga en prototyp direkt från en CAD-modell. CAD-modellen delas då upp
i nivåer med syftet att definiera verktygsbanan lager för lager. Några erkända fördelar
med additiv tillverkning är förkortade ledtider och förenklad framställning av
prototyper vid produktutveckling.
Inom MD används en energikälla för att smälta tillsatsmaterial i form av pulver eller
tråd. Materialet bildar svetsrillor vilka deponeras sida vid sida för att skapa ett lager
(figur 2). Fortsättningsvis skapas flera lager ovanpå varandra för att få fram önskad
geometri. Tillsatsmaterial deponeras vanligtvis med hjälp av en industrirobot.
Alternativt kan ett programmerbart XY-bord användas för deponering.
Det vanligaste tillvägagångssättet idag är att använda laser som energikälla med pulver
som tillsatsmaterial. Kombinationen benämns "Laser Cladding". Det finns dock
alternativa tillvägagångssätt vilka bygger på traditionella svetsmetoder, exempelvis TIG,
MIG och PTA. Dessa benämns inom MD med samlingsnamnet WAAM (Wire and Arc
Additive Manufacturing). [6] [7]
CAD-modell
Generering av
verktygsväg
Processering
Figur 2: Förenklad processbild av Metal Deposition.

6
Användningsområden för MD:
 Tillverkning av geometrier
 Reparation eller modifiering av komponenter
 Prototyptillverkning
 Produktion av komplexa geometrier
Fördelar:
 Minimerar materialspill
 Snabb prototyptillverkning
 Ger större frihet till konstruktörerna gällande former och geometrier
 Tillverkning i ett steg (till Near Net Shape)
 Kan i många fall ersätta avverkande bearbetning av gjutna komponenter. Detta
minskar ledtider och kostnader samtidigt som leverantörsutbudet ökar.
 Förenklar användandet av svårbearbetade material
Nackdelar:
 Ytfinhet
 Near-net-shape, måste ofta efterbearbetas om toleranskraven på geometrin är
höga.
 Förhållandevis ny tillverkningsmetod
 Kräver hög kunskap om processen

7
2.2 CMT
CMT är en vidareutveckling av konventionell GMAW-svetsning utvecklad av Fronius
International GmbH. Utvecklingsarbetet påbörjades 1991 då Fronius undersökte
möjligheterna att svetsa samman aluminium och stål. Elva år senare, år 2002,
introducerades den nya tekniken på marknaden. CMT-metoden är unik inom svetsning
på grund av trådens speciella matning. Konventionella bågsvetsmetoder har en konstant
trådmatning in i smältan. CMT skiljer sig från dessa i den bemärkelsen att
trådmatningen byter riktning. Riktningsändringen leder kortfattat till lägre
värmeutveckling och sprutfri deponering. Egenskaper vilka medför att värmekänsliga
material, exempelvis aluminium, lätt kan svetsas samt att mycket av efterbearbetningen
elimineras. Den lägre värmeutvecklingen kan vid svetsning minska risken för både
varmsprickor och deformationer. [8] [9] [10]
2.2.1 CMT-processen
Den revolutionerande riktningsändringen (se figur 3) av trådmatningen möjliggörs av
en trådbuffert. Från matarverket matas tråden ut likt konventionell MIG-svetsning. På
robotverktyget sitter en servomotor med varierande matningsriktning. Däremellan, på
robotarmen, sitter trådbufferten. Då tråden matas från arbetsstycket, samtidigt som den
matas ut av trådmataren, fångas överskottet upp av bufferten. Nedan följer en
förklaring av processförloppet indelat i tre faser: [8]
I. Strömpiksfasen, ljusbågen mellan elektrod och grundmaterial tänds. En hög
strömpik uppstår, trådspetsen smälter till en droppe. Samtidigt bildas smältan
på basmaterialet.
II. Bakgrundsströmfasen, strömmen håller en låg nivå, elektroden förs ner mot
smältan.
III. Kortslutningsfasen, Vid kontakt uppstår kortslutning, strömnivån ökar men
håller en fortsatt låg nivå. En signal skickas till servomotorn,
matningsriktningen byts. Tråden matas bakåt, droppen lossnar kontrollerat och
landar i smältan. Processen upprepas vanligen med en frekvens på 70 Hz.
Figur 3: Visar CMT-processen i fyra steg:
1. Hög ström tänder ljusbågen samtidigt som smältan bildas och trådspetsen smälter till en droppe.
2. När tillsatsmaterialet kommer i kontakt med smältan uppstår kortslutning och strömmen hålls låg.
3. Tråden byter riktning. Riktningsändringen gör att droppen deponeras i smältan. Strömmen hålls fortsatt låg.
4. Bågen tänds igen och processen upprepas, strömmen höjs kraftigt.
1. 3.2. 4.

8
2.2.2 Fördelar hos MD med CMT-teknik
 Sprutfri deponering: Den låga strömnivån under kortslutningsfasen möjliggör
sprutfri deponering. Vid konventionell GMAW-svetsning ökar istället
strömmen till en sådan nivå att de elektromagnetiska krafter som uppstår får
smältan att ”explodera”. Under explosionen uppstår sprut. Sprutfri deponering
leder till minimering av efterbearbetning. [8] [9]
 Lättkontrollerad båglängd: Riktningsändringen hos tråden triggas då
kortslutning uppstår, tråden matas nu uppåt. Matningen byter riktning igen först
då droppen deponerats och ljusbågen återupptagits. Detta innebär att processen
är återkopplad och därför automatiserad. På så vis inverkar inga andra
parametrar vilket leder till en jämn och stabil båglängd, även vid mindre
höjdskillnader hos arbetsstycket. [8] [9]
 Låg värmepåverkan/sträckenergi: Då bågen släcks och tänds upprepade
gånger under processen hålls medeltemperaturen lägre än vid konventionella
GMAW-metoder. Detta medför lägre deformation i basmaterialet. Samtidigt
möjliggörs svetsning av tunna plåtar samt material vilka kräver lägre
värmepåverkan. Sträckenergi definieras enligt formel 1 nedan.
𝑆𝑡𝑟ä𝑐𝑘𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 =
Tillförd Energi
Längdenhet hos svetsförbandet
(1)
 Svetsning med ren CO2: Vid konventionell GMAW-svetsning med 100 %
CO2 som skyddsgas uppstår problem med sprut. CMT-teknik minimerar detta
problem. Fördelarna med att använda ren CO2 som skyddsgas är främst dess
låga pris och dess tillgänglighet. [11]
2.2.3 Nackdelar hos MD med CMT-teknik
Den stora nackdelen med CMT är att tekniken enbart är applicerbar upp till
kortbågsfasens slut (se figur 4). För strömmar högre än detta uppstår helt enkelt inte
kortslutning. En annan nackdel är att tekniken är relativt obeprövad. [9]
CMT arc
Dip-transfer
arc
Spray arc
Rotating arc
Spänning
Ström
Pulsed arc
Figur 4: Ström-spänningsdiagram, visar olika båglängder.

9
2.2.4 CMT kontra laser med tråd
Det har tidigare utförts ett arbete på Siemens där MD användes för att tillverka
kylturbulatorer. Under arbetet användes laser som energikälla och tråd som
tillsatsmaterial. Problemområden specifika för MD-processer med laserkälla framkom.
En faktor vilket kunde göra processen ostabil var att tillsatsmaterialet inte centrerades i
fokalpunkten vilket ledde till inkorrekt deponering. En annan faktor var basmaterialets
ytstruktur vilket påverkade hur materialet absorberade laserenergi. Petter och David
[12] påpekar också att laser med tråd kräver global skyddsgas (skyddsgastält där läckage
är vanligt). Ovan nämnda problem uppstår inte med CMT då de är specifika för
laserbaserade MD-metoder. [5]
2.2.5 CMT-pin
CMT-pin är ett speciellt svetsläge skapat av Fronius. Metoden går ut på att fästa små
pinnar på basmaterialet med hjälp av tillsatsmaterialet och en avancerad styrning av
ström och spänning. Kombinationen gör det möjligt att styra form och dimensioner på
pinnarna. I figur 5 visas de fyra formerna vilka är möjliga med CMT-pin.
Figur 4: De fyra geometrier möjliga med CMT-pin.
Cylinder Pike Ball Print

10
2.3 Statistisk försöksplanering
SFP medför ett strukturerat tillvägagångssätt vid undersökning och optimering av
processer. Den stora fördelen är att antalet försök minskas jämfört med ”en faktor i
taget” metodiken där en faktor i taget justeras. Metodiken är tidsödande och osäker.
Osäkerheten ligger i att samspel mellan parametrar inte undersöks. Dessa samspel går
att undersöka med SFP.
Vid utförande bestäms de ingående parametrar vilka ska kalibreras. En låg och en hög
nivå bestäms för vardera parameter. Tester med samtliga kombinationer av höga och
låga värden utförs. Resultatet av försöken kan därefter ge indikationer i vilken riktning
parametrar ska justeras för en optimal process. Resultatet kan också analyseras med
hjälp av statistiska programvaror, där exempelvis regressionsmodeller kan skapas och
samverkan mellan parametrar undersökas.
Försök baserade på SFP kallas faktorförsök. Faktorförsök betecknas enligt följande:
”antal ingående parametrarnivåer
”. Exempelvis kallas ett försök med fyra ingående faktorer
och två nivåer för ett 42
- faktorförsök. Antalet försök blir då 42
=16. Fler nivåer än två
förekommer också, dock vanligen vid finkalibrering av en process.
Det är möjligt att utföra så kallade reducerade faktorförsök. Då väljs en viss andel av
försöken ut enligt en bestämd metodik. Detta kan vara fördelaktigt då en strikt tidsplan
måste följas samt är mer ekonomiskt försvarbart. Nackdelen med reducerade
faktorförsök är att de inte är fullt lika tillförlitliga som fullfaktorförsök. Tillförlitligheten
kan ökas genom upprepade identiska försök. [13]
2.4 Regressionsmodeller
Regressionsmodeller är ett statistiskt verktyg där samband mellan beroende och
oberoende variabler kan identifieras. En regressionsmodell kan vara linjär eller olinjär.
Det är viktigt att veta vilken typ av regressionsmodell man vill skapa. Då resultat från
indata plottas i ett 2D plan synliggörs en samling punkter. Dessa kan då approximeras
antingen till en rät linje, linjär regression, eller följa en kurva, olinjär regression. Vid
användande av fel typ av regressionsmodell blir resultatet felaktigt. Vid tre inverkande
faktorer sker plotten i en 3D rymd och punkterna bildar ett plan eller en yta.
Den linjära regressionsmodellen, se ekvation 2, består av följande komponenter, Yi
vilket är den beroende variabeln, alltså den variabel vilket ska undersökas. α är den
punkt där regressionslinjen skär y-axeln. xj är de oberoende variablerna och βj är
koefficienten framför respektive xj, det vill säga hur mycket respektive xj påverkar
utfallet av Yi. ε är ett medelvärde på mätningarnas avvikelse från den förväntade räta
linjen.
𝑌𝑖 = 𝛼 + 𝛽𝑗 𝑥𝑗 + 𝜀 (2)

11
För att förtydliga innebörden av en regressionsmodell följer här ett exempel. Antag att
man vill undersöka hur bredden på en svets påverkas av valda parameterinställningar
på en svetsmaskin. Genom praktiska försök kan man komma fram till att
framföringshastighet och trådmatning är två parametrar vilka har stor inverkan på
svetsens bredd. I denna modell är alltså bredden den beroende variabeln Y1 medan
framföringshastighet och trådmatning är de oberoende variablerna x1 och x2. För att
undersöka till vilken grad framföringshastighet respektive trådmatning påverkar
bredden beräknas koefficienterna β1 och β2. Beräkningen kan ske med olika metoder,
exempelvis least squares method vilket går att utföra för hand. Ett högt värde på β1
betyder att x1 har högre inverkan på svetsens bredd. De praktiska försöken kan utföras
upprepade gånger för att erhålla en större statistisk trovärdighet. ε är medelavvikelsen
från det framräknade värdet och det verkliga värdet. Slutresultatet blir en så kallad
regressionslinje vilken visar ett linjärt samband mellan beroende och oberoende
variabler.
En regressionsmodell är aldrig mer tillförlitlig än de data den baserats på. Datainsamling
är därför ett viktigt steg i processen. Det är rekommenderat att inte basera en
regressionsmodell på driftdata från en process. Vid drift hålls processparametrar ofta
inom ett litet område där extremvärden sällan ingår. Därför kan viktig data utebli.
Istället är statistiska försök att rekommendera. De täcker en större variation av
processparametrarna. På så vis är det mindre sannolikt att missa viktig data. Utförandet
tar längre tid men är i de flesta fall värt det extra arbetet. [13] [14]

12
2.4.1 Tolkning av regressionsmodeller
Regressionsmodeller kan synliggöras i form av olika grafer. I detta kapitel följer en förklaring för några
av de vanligaste, vilka också kommer användas i projektet.
2.4.1.1 Huvudeffekter
Grafen i figur 6 visar hur utfallet Q beror på respektive huvudeffekt. En brantare
lutning på linjen mellan hög och låg nivå tyder på större inverkan. Exempelvis har Ts
hög inverkan på Q medan DK inte har någon inverkan alls. Ett högre värde på Ts (x-
axeln) ger ett lägre värde på utfallet för Q (y-axeln). [13]
Figur 5: Visar huvudeffekterna av utfallet för Q.
2.4.1.2 Samverkanseffekter
Regressionsmodeller kan inte bara synliggöra inverkan av varje enskild variabel, utan
även hur samspelet mellan två eller flera variabler påverkar utfallet. I ett
samverkansdiagram tyder parallella linjer på att någon samverkan inte finns. Graden av
samverkan ökar ju mindre parallella linjerna är. De streckade röda linjerna i figur 7 visar
hur de höga värdena varierar i samspel med andra variabler. De svarta linjerna visar
variationen hos de låga värdena. För tydliggörande följer ett exempel. Om DK har ett
lågt värde (-1) är det av stor betydelse för vilket värde som väljs på BLK. Skulle DK
istället vara satt till ett högt värde har värdet på BLK inte längre någon större betydelse.
[13]
Figur 6: Visar ett samspelsdiagram för utfallet av Q.

13
2.4.1.3 Paretodiagram över standardiserade effekter
I ett paretodiagram för standardiserade effekter (figur 8) sorteras huvudeffekter och
samspel efter storleken på dess inverkan av utfallet på inbränningen. De huvudeffekter
och samspel vilka sträcker sig över den röda linjen (signifikanslinjen) är de med inverkan
på utfallet av inbränningen. Värdet av signifikanslinjen beror på den valda
signifikansnivån. För att erhålla denna linje krävs upprepade försök i syfte att eliminera
slumpartade resultat. [13]
Figur 7: Paretodiagram över huvud- och samverkanseffekter för Inbränning.
2.4.1.4 Spridningsdiagram över residualer
Spridningsdiagram över residualer (figur 9) används för att verifiera att en samling data
är normalfördelad. För att vara normalfördelad ska residualerna följa den projicerade
linjen. Det är önskvärt att ha en koncentration av residualer nära mitten på linjen vilket
innebär en liten avvikelse från väntevärdet. Om ett tydligt icke-linjärt mönster uppvisas
så är modellen inte passande för den data modellen är baserad på. [13] [15]
3210-1-2-3
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
Standardized Residual
Percent
Normal Probability Plot
(response is Q)
Figur 8: Spridningsdiagram över residualer.

14
2.4.2 Framtagning av regressionslinje
Regressionslinjen är, som ovan nämnt, en ekvation vilken kan användas för att förutse
utfallet på den beroende variabeln då de oberoende variablerna ändras. Ekvationen är
endast giltig inom det intervall för vilket data undersökts inom. I ekvationen sätts de
höga och låga nivåerna, -1 och 1 in. Ekvationen kommer bestå av de oberoende
variabler och samband vilka ligger inom signifikansnivån. Det vill säga endast de
variabler och samband med verklig inverkan på utfallet. Val av signifikansnivå är ett
avgörande moment och kräver hög kunskap om den aktuella processen. Vanligtvis sätts
en signifikansnivå på 5-10 %. [14]
2.4.3 Verifiering av regressionsmodeller med ANOVA
För att verifiera tillförlitligheten av en regressionsmodell används data från ANOVA-
tabeller. Den totala variationen för en beroende variabel kallas SST (kvadratsumma).
SST består i sin tur av SSR och SSE (residualkvadratsumman).
SST = SSR + SSE
Total Förklarad Oförklarad
variation variation variation
SSR är den variation vilken beror på ändringar av de oberoende variablerna. SSE är
slumpmässig variation, det vill säga beror inte på ändringar hos de oberoende
variablerna. Den linjära modellens styrka kan mätas med förklaringsgraden R2
, enligt
ekvation 3. R2
visar hur stor procentuell andel av variationen av utfallet Yi vilket beror
på de oberoende variablerna xj. Ett högt värde på R2
visar alltså att modellen är
tillförlitlig. [15]
𝑅2
=
𝑆𝑆𝑅
𝑆𝑆𝑇
(3)
En annan term vilken kan utläsas ur ANOVA är residualspridningen S. Den beskriver
standardavvikelsen kring regressionslinjen och bör ha ett lågt värde. Förutom dessa två
termer bör även den data vilken modellen bygger på vara normalfördelad. [15]

15
2.5 Analys av svetsar
Under projektet kommer analys av svetsar vara en central del. Detta kapitel behandlar vanliga typer
av svetsdefekter samt olika metoder för att testa och kvalitetssäkra en svets.
2.5.1 Svetsdefekter
Defekter eller diskontinuiteter innebär att en svets inte är homogen. Många defekter
går inte att undvika men bör i högsta grad minimeras. Hur allvarlig en defekt är beror
ofta på dess position, storlek och form. Nedan följer några vanliga typer av defekter
samt orsaker till deras uppkomst.
Porer
Porer orsakas vanligtvis av att skyddsgas stängs in i svetsen. Mindre porer inuti en svets
har relativt liten påverkan på dess hållfasthet, men kan dölja andra, mer allvarliga fel.
Det finns tre vanliga typer av porer:
1. Sfäriska porer: Uppkommer då gasen inte hinner diffundera ut innan smältan
stelnar.
2. Långsträckta porer: Porer som under stelningsfasen går upp till ytan och växer
mellan dendriterna.
3. Mikroporisitet: När svetsgodset stelnar sker krympning vilket kan orsaka
mikroporositet.
Orsaker: Felaktigt gasflöde, svetssprut i gaskåpan, drag i lokalen, för hög
framföringshastighet, smutsiga ytor, för lång ljusbåge. [16] [17] [18]
Bindfel
Bindfel innebär att de metallurgiska bindningarna mellan svetsgods och grundmaterial
är otillräckliga. Det vill säga att materialen inte smälts samman. Detta är ett allvarligt fel
då svetsens hållfasthet kraftigt försämras.
Orsaker: Otillräcklig värmeöverföring, felaktig lutning av svetspistolen, smälta rinner
före ljusbåge, för hög framföringshastighet. [16] [17] [18]
Sprickor
Sprickor är den vanligaste typen av defekt inom svetsning. Vanligtvis skiljer man på två
olika typer av sprickor, varm- och kallsprickor. Varmsprickor kännetecknas av
längsgående sprickor i svetsgodsets centrumlinje, vilka ofta syns på ytan. Dock kan
sprickorna i vissa fall förbli invändiga. Varmsprickor bildas vid höga temperaturer,
närmare 1200˚C. Uppkomsten av sprickor beror oftast på svetsens halter av C, S, P och
Nb. Svetsning med hög strömstyrka tillsammans med låg svetshastighet ökar också
risken för sprickor. Kallsprickor sker vanligtvis i HAZ, men kan även ske i svetsgodset.
Kallsprickor bildas vid låga temperaturer, kring 200˚C och kan uppkomma lång tid efter

16
svetsning. Sprickorna utvecklas efter att svetsen stelnat till följd av spänningar. De
sprider sig sedan vidare mellan och genom korngränserna. Denna typ av spricka beror
oftast på att väte, från exempelvis fukt, samlas i områden med dragspänningar.
Dragspänningarna kan spränga upp materialet vilket bildar små sprickor. [19]
Heat Affected Zone
Förutom defekter i själva svetsen påverkas även det omgivande materialet. Den
värmepåverkade zonen, på engelska HAZ, är det område vilket vid svetsning inte
övergår till smält fas. Materialet i HAZ genomgår förändringar i dess mikrostruktur och
metallurgiska egenskaper. Dessa förändringar inkluderar exempelvis rekristallisation
och ökad korntillväxt. När korngränserna ökar, ökar även risken för sprickbildning.
Samtidigt minskar materialets förmåga att motstå plastisk deformation. Hur omfattande
zonen blir beror främst på tillförd värmeenergi, basmaterial och tillsatsmaterial. HAZ
kan delas in i olika områden. Intill smältgränsen ligger det mest kritiska området, även
kallat den överhettade zonen. Här beror mikrostrukturen främst på den kemiska
sammansättningen, kornstorlek samt avsvalningshastighet. [19] [20]
2.5.2 Analysmetoder
Analys av svetsar är viktigt för att kunna identifiera eventuella defekter. Nedan redogörs några av de
vanligaste metoderna.
Mikro- och makroprov
Mikro- och makroprov är förstörande prov då provföremålet måste kapas upp. Genom
att studera svetsens tvärsnitt kan relevant information angående svetsens kvalité
erhållas. Exakt mätning av geometri, inbränning i grundmaterialet, bindfel och porer är
några av de egenskaper vilka kan analyseras genom denna metod. Ett snitt utförs
vinkelrätt mot svetssträngens riktning vilket ger en tydlig profil. Tvärsnittet planslipas
och poleras för att slutligen etsas. Etsning tydliggör inbränning och kornstruktur. Efter
provet preparerats kan det undersökas med hjälp av ett optiskt mikroskop. Mirko- och
makroprov är i förhållande till övriga metoder lätt att genomföra och kan upptäcka
flertalet olika svetsdefekter. [12] [17]
Tolkning av mikro- och makroprover
Vid analys av kylturbulatorer är vinkeln vid rillans tå kritisk. Den ska ligga mellan 100°-
140° för att erhålla optimal hållfasthet och korrekt strömning av luftflödet. Vinkeln bör
mätas från samma höjd på båda sidor. Ett medelvärde kan sedan tas av de två vinklarna.
Vid mikroanalys är det viktigt att skilja smuts från porer och sprickor. En svetspor har
oftast en cirkulär karaktär. För att avgöra om det rör sig om porer och sprickor eller
smuts justeras fokus. Smuts ligger på en högre nivå än provobjektet och hamnar därför
i fokus då objektet flyttas från linsen. Sprickor vid rillans tå, eller nära dess kanter, får
inte förekomma då dessa kan leda till utmattningsbrott. Mindre inre sprickor och porer
är ofarliga då kylturbulatorn inte kommer utsättas för någon belastning. [19] [21]

17
Röntgenprovning
Röntgenprovning är ett oförstörande prov där röntgen- eller gammastrålar riktas mot
provstycket. Då strålarna färdas genom provstycket absorberas dessa av materialet.
Mängden absorberad strålning beror på tjocklek och täthet av godset. I en defekt
förekommer variationer i täthet vilket innebär lägre absorption. Under provföremålet
placeras en röntgenfilm vilken fångar upp strålarna. Defekter kan indikeras genom att
analysera mängden strålning filmen utsatts för. Hög strålning ger svarta områden på
filmen och indikerar alltså en defekt i provstycket. Röntgenprovning kan bland annat
upptäcka svetsdefekter i form av sprickor, porositet och slagginneslutningar. Metoden
har stora fördelar då en hög andel fel kan upptäckas. Utförande kräver dock certifierad
personal med hög kunskap inom både utrustning, genomförande samt analysering av
resultatet. [19] [22]
Hårdhetsprovning
I en svets är det viktigt att kontrollera dess hårdhet, speciellt i HAZ där hårdheten har
en tendens att öka och på så sätt göra materialet sprödare. Principen för
hårdhetsprovning grundar sig på att ju hårdare ett material är, desto bättre kan det
motstå plastisk deformation. Hårdhetsprovning kan genomföras med någon av
metoderna Brinell, Rockwell eller Vickers. Alla metoder bygger på att ett objekt forcerar
provmaterialet med en känd kraft under en viss tid. Avtryckets djup/diameter kan sedan
mätas för att med en formel bestämma materialets hårdhet. [19]
2.6 Tillsatsmaterial
Fyra nickelbaslegeringar undersöktes under förstudien. Dessa var Haynes 230,
Hastelloy X, Inconel 625 och Inconel 82. Anledningen till att enbart nickelbaslegeringar
undersökts är att det vid svetsning är rekommenderat att använda tillsatsmaterial med
materialegenskaper liknande basmaterialet [10] [23]. Nickelbaslegeringar har generellt
sett hög korrosionsbeständighet, god form- och svetsbarhet och god kryphållfasthet vid
höga arbetstemperaturer. De kan användas från kryogena temperaturer till strax under
1300°C. De fyra materialen, med undantag för Inconel 82, används flitigt inom kemisk
processindustri på grund av dess goda korrosionsbeständighet. Tillämpningar innefattar
bland annat tryckkärl, rörledningar och destillationskolonner. Andra tillämpningar inom
industrin innefattar en rad komponenter i jetmotorer och gasturbiner. [10] [24] [25] [26]
2.6.1 Haynes 230
Haynes 230 är den vanligast förekommande legeringen vid produktionssvetsning av
gasturbiner på Siemens [10]. Utöver de ovan nämnda egenskaperna har materialet den
högsta smältfasen, 1301-1371°C, av de fyra legeringarna. Haynes 230 har också vid höga
arbetstemperaturer, över 1200°C, bättre beständighet mot korntillväxt än Hastelloy X.
Den minsta standardiserade tråddiametern som finns tillgänglig är 0,76 mm. [24] [27]

18
2.6.2 Inconel 625
Inconel 625 är flexibel i det avseende att den tål värmebehandling och används därför
främst vid reparationer [10]. Materialet har en lägre smältfas än Haynes 230, 1260-
1355°C. Tråddiametrar ner till 0,5 mm finns tillgängligt. [26] [28]
2.7 Tidigare arbeten inom Metal Deposition
Nedan följer fyra utvalda arbeten inom MD vilka anses extra viktiga för projektet.
2.7.1 Rapport 1
Victor Andersson, Björn Olausson, Kostnadsbesparingsprojekt Kylturbulatorer, Inner- och
Yttermantel SGT-800, 2011-03.
Denna rapport är gjord i form av ett examensarbete på begäran av Siemens. Syftet var
att genom MD framställa kylturbulatorer som uppfyllde ställda krav på geometri och
metallurgiska egenskaper. MD-metoden vilken undersöktes var laser med tråd och
försöken gjordes på raka plåtar.
Gällande svetsresultaten lades stort fokus på att kontrollera skillnaderna mellan
användning av Haynes 230 eller Inconel 625 som tillsatsmaterial. Testerna visade att
Haynes 230 hade en större benägenhet att flyta ut och inte bibehålla rätt geometri gent
emot Inconel 625. Samtidigt påvisade försöken med Inconel 625 bindfel, sprickor samt
bristande genomträning i basmaterialet. I arbetet utfördes även ett försök med
lageruppbyggnad, där två lager med Haynes 230 användes. Resultaten visade god
geometri och bra inträngning.
Slutsatsen visar att det finns både för- och nackdelar med MD. Det finns starka
argument till att fortsätta utredningen av möjligheten att byta ut dagens svarvoperation
till MD. Nedan följer de främsta för- och nackdelarna:
Fördelar:
 Ekonomiska fördelar (kort återbetalningstid, väl tilltaget avkastningskrav)
 Minskade ledtider och transporter
 Kunskapslyft för Siemens
Nackdelar:
 Begränsat processfönster (med processfönster menas en process robusthet,
vilket gör processen mindre känslig för variationer och fel)
 Känslig process (gällande variationer och kontroll)
 Stora krav gällande yta och fixturer
 Begränsad rörlighet i rymden

19
2.7.2 Rapport 2
Almir Heralic, Towards full Automation of Robotized Laser Metal-wire Deposition, 2009.
Syftet med arbetet har varit att utveckla ett system för online-kontroll över RLMwD-
processen (Robotized Laser Metal wire Deposition). Processen ska också kunna
kontrolleras manuellt genom den feedback systemet återger. Systemet ska utifrån
mätningar de utför kunna reglera processparameterana automatiskt. Standardiserad
utrustning för automatiserad industriell svetsning har använts under projektet. För
processövervakning har kameror och laserscanning använts. Tester har utförts i form
av uppbyggnad av tunna väggar. Den viktigaste parametern var avståndet mellan
trådspetsen och smältpolen vilken ska hållas konstant. På så vis sker stabil deponering
och defekter undviks.
Start- och stoppsekvenser identifierades som problematiska och fick justeras manuellt
för att vara genomförbara.
Resultatet är ett nästan helautomatiskt kontrollsystem vilket medför stabil deponering,
bra geometrier och goda metallurgiska egenskaper. Manuell kontroll visade sig också
möjlig vid behov och nödvändig för start- och stoppsekvenser.
Under framtida arbeten kommer systemets anpassning till krökta svetsbanor,
tillsammans med fullt automatiserade start- och stoppsekvenser undersökas.
Storleksskalan på geometrierna kommer ökas i syfte att identifiera problem vid
tillverkning av större geometrier. Sambandet mellan temperaturen hos den svetsade
geometrin, dess mått samt metallurgiska egenskaper bör undersökas. En lägre
temperatur tros förenkla uppbyggnad av höga geometrier.
2.7.3 Rapport 3
O.T. Ola, F.E. Doern, A study of cold metal transfer clads in nickel-base INCONEL 718
Superalloy, 2014.
I arbetet har en studie angående CMT-svetsning i nickelbaslegeringen Inconel 718
utförts, vilket fått namnet CMT-cladding. Författarna har framförallt analyserat
svetsens metallurgiska och geometriska egenskaper. Den metallurgiska analysen visade
att samtliga svetsförsök gav en god mikrostruktur, fri från porer och sprickor. Samtidigt
var bindningen till basmaterialet god. Genom statistisk analys, i tre nivåer, kunde
relationer mellan utvalda parametrar och geometri på svetsen påvisas. Parametrar som
studerades var trådmatning, svetshastighet och kontaktvinkel. Övriga parametrar hölls
konstanta utifrån ett synergi-läge. Resultatet användes för att skapa regressionsmodeller
i syfte att kunna förutse hur svetsens geometri varierade med parametrarna. Studien
kunde påvisa att framförallt trådmatning, men också framföringshastighet, hade stor
påverkan på svetsens slutliga form (djup, bredd, inträning). När trådmatningen ökades
tenderade geometrin på svetsen att bli bredare och inträngningen djupare. Detta
berodde framförallt på sträckenergin och avkylningshastigheten. Slutligen gjordes
tester där flera svetssträngar lades bredvid varandra för att bygga upp en struktur. Här

20
varierades kontaktvinkeln mellan elektrod och basmaterial. Tester visade att vinklar nära
90˚ försvårade uppbyggnad när ytterligare rillor svetsades intill varandra. Om istället
vinkeln valdes över 115˚ påvisades goda resultat.
Slutsatser:
 Arbetet visade att CMT-processen, med rätt valda parametrar, är en användbar
metod vid uppbyggnad och reparation av skadade områden på komponenter.
 Trådmatningen var linjärt relaterad med både svetsens form och tillförd
värmeenergi.
 Användning av CMT-svetsning i nickelbaslegeringar, med korrekta
svetsparametrar, visade goda metallurgiska egenskaper.
 Kontaktvinkeln bör vara större än 115˚ då flera rillor intill varandra ska byggas
upp.
2.7.4 Rapport 4
P.M. Sequeira Almeida, S. Williams, Innovative Process Model of TI-6AL-4V Additive Layer
Manufacturing using Cold Metal Transfer (CMT)
Syftet med rapporten var att utföra en jämförelse mellan MD med TIG och MD med
CMT. Med hjälp av regressionsmodeller kunde samband mellan processparametrar och
svetssträngens bredd påvisas. Studien visar mycket goda resultat med CMT. En
intressant slutsats var sambandet mellan skyddsgas och strängens geometri samt de
metallurgiska egenskaperna. Skyddsgas med låg heliumhalt (Ar 70 %, He 30%)
resulterade i smala och höga tvärsnitt hos strängarna samtidigt som kornstorleken
ökade. Vid högre halter av helium minskade kornstorleken medan geometrin fick en
bredare och lägre profil. En annan slutsats var parametrarnas påverkan på strängens
bredd. De parametrar vilka användes var trådmatning, förhållandet mellan trådmatning
och framföringshastighet (förhållandet har använts för att erhålla stabil deponering och
god kvalitet hos rillan) samt tråddiameter. Resultatet visade att tunnare tråddiameter
och lägre trådmatning gav smalare strängar. Ett förhållande mellan trådmatning och
framföringshastighet på 20 användes i arbetet.

21
3 Samarbete med konstruktionsavdelningen på
Siemens i Finspång
Siemens konstruktionsavdelning i Finspång har påbörjat ett utvecklingsprojekt där den
nuvarande kravbilden av kylturbulatorer ska undersökas och utvärderas. Ett samarbete
inleddes därför under föregående förstudie och fortsatte under projektet. Anledningen
till dagens kravbild (se figur 1) beror främst på dess tillverkningsmetoder.
Kylturbulatorer svarvas i dagsläget fram och har ett fyrkantigt tvärsnitt. Detta är inte
möjligt med MD utan att utföra efterbearbetning. Projektets mål är därför att undersöka
alternativa kravbilder vilka kan tillämpas vid tillverkning med MD-metoder.
Det ställs inga strikta krav på de metallurgiska egenskaperna då kylturbulatorerna inte
utsätts för någon belastning. Då oscillationer anses vara det största hotet ur
hållfasthetssynpunkt ska rillan ha tillräcklig inträngning i basmaterialet, vara fri från
bindfel och ha en stor tåvinkel. Om kraven inte uppfylls kan oscillationer leda till
sprickbildning vid tån. Sprickor och porer ska hållas små och till en låg nivå. På begäran
kommer hårdhetsprov med vickers metod utföras på svetssträngen, HAZ och
opåverkat material.
I dagsläget används höjd-breddförhållandet 1:1, vilket är önskat förhållande även med
MD-teknik. Risken med för låg eller hög höjd är lägre tryckfall vilket leder till försämrad
kyleffekt. Gällande formen på rillan vill konstruktionsgruppen att fyra olika typer av
svetsförsök genomförs. Det första går ut på att skapa raka rillor med ett höjd-
breddförhållande så nära 1:1 som möjligt. Det är önskvärt, men inte nödvändigt att
uppnå denna geometri med en passering. Vid lyckade resultat kommer framtagning av
sicksackformade rillor med långa raksträckor och små radier att undersökas. I mån av
tid vill konstruktionsgruppen även veta om en lutande profil på rillan går att
åstadkomma. Om svetsförsöken visar goda resultat finns önskan om framtagning av
provplåtar avsedda för prover i strömningsrigg.
I syfte att specificera kraven kommer konstruktionsgruppen genomföra följande
simuleringar: [29]
 Flödesanalyser med radier vid botten och toppen av kylturbulatorer.
Skarpa hörn i botten av rillan har visat sig skapa cirkulation av varmluft och
uppvärmning av brännkammarmanteln snarare än kylning.
 Flödesanalys där kylturbulatorer har varierande höjd. Anledningen till
denna analys är att en oregelbunden profil skapar turbulens mer effektivt än en
regelbunden profil. Avståndet mellan kylturbulatorerna samt dess dimensioner
kommer varieras för att uppnå önskad turbulens och därmed även kyleffekt.

22
 Flödesanalys med sicksackformade kylturbulatorer. Enligt
konstruktörerna bidrar sicksackmönster till ökad turbulens. Detta är positivt då
oundvikliga radier vid kylturbulatorernas toppar tros bidra till ett jämnare
luftflöde och lägre turbulens vilket leder till lägre kyleffekt. Kylförluster vilka
konstruktionsavdelningen menar att sicksackmönster skulle kompensera för.
Under inledningen av projektet utfördes ett besök på Siemens i Finspång. Här framkom
att det tidigare nämnda höjd-bredd förhållandet på 1:1 inte längre var ett krav. Nya
önskemål där styrande parameter var rillans höjd framfördes. Höjden låg inom ett litet
intervall, med ett aningen större höjd-bredd förhållande. Det framkom även att en rilla
med liten tåvinkel var oacceptabel då den skulle bidra till uppvärmning snarare än
nedkylning (se figur 10 för kravbild). Senare i projektet har rillor med ett annat höjd-
breddförhållande accepterats. Under besöket i Finspång presenterades även det
optimala tvärsnittet för kylturbulatorer, figur 10 nedan. Formen liknar en hajfena och
kommer i rapporten benämnas lutande profil. Den mindre vinkeln på kylturbulatorns
baksida skulle öka tryckfallet utan att försämra turbulensen. För att försöka
åstadkomma en rilla med lutande profil togs två förslag fram:
Förslag 1: Genom att luta arbetsstycket 90° skulle smältan med hjälp av gravitation
möjligtvis börja rinna och på så vis skapa en lutande profil.
Förslag 2: Genom att bygga upp en sträng med två eller tre svetspasseringar. Svetsen
skulle då kunna få en lutande profil genom att lägga två svetssträngar i botten och en
ovanpå, förskjuten åt höger. Alternativt genom att lägga en större rilla i botten och
sedan en mindre förskjuten rilla ovanpå. Se förklarande figur 11 nedan.
Figur 9: Enkel skiss över den kravbild som presenterades i Finspång (t.v.). Det optimala tvärsnittet av en kylturbulator
(t.h.). Luftflödet går åt höger.
Figur 10: Förslag 2 på hur en lutande profil kan åstadkommas.

23
4 Metod
Arbetet grundades på tidigare utförd litteraturstudie inom MD, CMT och svetsanalys.
Inledningsvis besöktes Axson AB i Göteborg och Siemens i Finspång. Syftet var att
skaffa nödvändig kunskap för utförande av kommande experiment. Arbetet är en
kvantitativ studie där experiment utförts och resultatet analyserats för optimering.
Statistisk försöksplanering användes vid utformning av experiment. Analys utfördes i
form av mikro- och makroprover. Resultatet av analysen låg därefter till grund för
regressionsmodeller. Anledningen till att statistisk försöksplanering och
regressionsmodeller användes var att förutom parametrar undersöka inverkan av
samspel mellan dem. Utifrån regressionsmodeller har optimering av både raka och
sicksack-formade rillor skett för att uppnå kravbilden. Optimering utfördes enligt
PDSA-metodik. Med de optimerade värdena undersöktes möjligheter att uppnå en
lutande profil. Därefter undersöktes CMT-pin.
5 Utförande av experiment
Följande kapitel består av detaljerade beskrivningar av de experiment och moment vilka beskrivs under
Metodavsnittet.
5.1.1 Tillvägagångssätt vid SFP-försök
Vid samtliga försök har bas- och tillsatsmaterial bestått av Haynes 230. Tråddiametern
var 0,9 mm och basmaterialet bestod av plåtar med dimensionerna 200x54x3 mm.
Samtliga plåtar levererades kallvalsade, varefter de slipades och tvättats med aceton för
att minimera orenheter. Plåtarna fixerades vid arbetsbordet med tving. Strömkälla och
trådmatarverk kopplades till en sexaxlig robot. Verktyget vinklades 90° mot
arbetsstycket med ett utstick på 13 mm. Skyddsgasen bestod av 100 % Ar och ställdes
till ett flöde på 15 l/min. Strömkällan för svetsen var inställd på standard synergic mode
för CMT och vald synergilinje var Nibas 625 C1704 för tråddiameter 1mm. Roboten
programmerades att svetsa raka rillor. Längden hos rillorna sattes till 110 mm med ett
mellanrum på 15 mm. Vid byte till ny plåt lades en rilla i syfte att förvärma den. Mellan
varje rilla kyldes basmaterialet med tryckluft under 30 sekunder. Från försöken
dokumenterades parameterinställningar, ström och spänning i Microsoft Excel.
5.1.2 Tillvägagångssätt vid svetsanalys
Innan analys kunde utföras tillverkades provpuckar avsedda för mikro- och makroprov.
Från provplåten kapades ett tvärsnitt ut ur varje rilla. Därefter gjöts provbitarna in i
bakelitpuckar med Ø30 mm. Puckarna slipades och polerades i fyra steg, de två första
för slipning och de två sista för polering. Slipplattorna hade kornstorleken 125 µm
respektive med 45 µm. Under polering användes poleringsskivor med kornstorlekarna
9 och 3 µm och tillhörande polervätska.

24
Mikroprov utfördes i syfte att upptäcka porer och mikrosprickor samt kontrollera
eventuella bindfel mellan bas- och tillsatsmaterial. Ett mikroskop med förstoring på
12.5-1000x användes. För de flesta prover användes en förstoring på 100-200x.
Därefter etsades proverna med oxalsyra vid en spänning på 3-5 volt för att framhäva
mikrostrukturen. Slutligen utfördes makroprover vid en förstorning på 12.5-25x för att
mäta rillans form. Formen på rillan måttsattes enligt figur 12.
Figur 11: Makrobild visande hur måtten har placerats vid makroprov.
Vickers hårdhetsmätning utfördes med ett tryck på 0.5 kg under 15 sekunder. 12
mätningar utfördes på varje prov enligt figur 13 nedan. Avståndet mellan varje mätning
var tre gånger avtryckets diagonal. Ett av intrycken togs där HAZ bör vara.
Hårdhetsmätning utfördes endast på rillor med optimerade parametrar.
Figur 12: Visar riktningen vid hårdhetsmätning (t.v.)samt formen på ett intryck (t.h.).

25
5.1.3 SFP-försök 1
Ett fullfaktorsförsök bestående av två faktorer med en hög och en låg nivå utfördes.
De två ingående faktorerna var trådmatning och framföringshastighet. Nivåerna på
faktorerna valdes så att samtliga svetsförsök skulle vara mätbara, se tabell 1. För att göra
detta möjligt användes ett förhållande mellan Wfs och Ts. Om förhållandet blev för
litet erhölls en oregelbunden rilla enligt figur 14. Syftet med försöket var att studera de
två faktorernas inverkan på rillans höjd, bredd, inträngning, vinkel samt värmetillförsel
vid svetsning.
I syfte att höja den statistiska noggrannheten upprepades försöket en gång, resultatet
blev totalt fyra kombinationer och åtta försök. De åtta svetsförsöken utfördes i
slumpmässig ordning enligt bilaga A, statistisk försöksplanering 1. För att erhålla mått
på höjd, bredd, inträngning och vinkel analyserades samtliga prover enligt ovan
beskrivet tillvägagångssätt.
Figur 13: Visar rillor med ostabil höjd och bredd.
Det andra SFP-försöket ställdes upp i form av ett reducerat 42
-faktorsförsök, det vill
säga fyra faktorer och två nivåer. Förutom trådmatning och framföringshastighet togs
även båglängdskorrigering och dynamikkorrigering med i försöket. Nivåer sattes utifrån
resultatet från SFP-försök 1 och presenteras i tabell 2. De låga nivåerna betecknas -1
medan de höga betecknas med 1. Försöket upprepades en gång i syfte att höjda den
statistiska noggrannheten. Då försöket var reducerat bestod det av totalt 8
kombinationer och 16 svetsförsök. Samtliga 16 försök utfördes i slumpmässig ordning
(se bilaga A, statistisk försöksplanering 2 ). Analys skedde enligt tidigare stycke.
5.1.5 Regressionsmodeller
För att skapa regressionsmodeller användes den statistiska mjukvaran Minitab 16.
Uppmätt data från SFP-försöken fördes in i programmet (för tabeller se bilaga A). För
de beroende variablerna höjd, bredd, vinkel, inträngning och värmeöverföring skapades
tabellvärden över de uppskattade effekterna och koefficienterna samt en ANOVA-
Tabell 1: Nivåer vid SFP-försök 1
Tabell 2: Nivåer vid SFP-försök 2.
Faktorer -1 1
Ts (mm/s) x X
Wfs (m/min) y Y
Nivåer
Faktorer -1 1
Ts (mm/s) x X
Wfs (m/min) y Y
BLK (%) z Z
DK (%) w W
Nivåer

26
tabell. Visualisering av data skedde i form av grafer över huvudeffekter, interaktioner
och sannolikhetsdiagram. För att bekräfta trovärdigheten av de framtagna modellerna
studerades residualdata i form av normalfördelningskurvor. För att ytterligare verifiera
trovärdigheten av modellerna gjordes ett Anderson-Darling normalitetstest och
ANOVA-tabellen analyserades.
5.1.6 Optimering av raka rillor
Optimeringsprocessen baserades på regressionsmodellerna, fokus lades på rillans höjd
och bredd. Orsaken var att inbränningen ansågs vara tillräcklig, så även vinkeln. Wfs
valdes till ett lågt värde och BLK till ett ganska högt, då det enligt regressionsmodellen
gav minimal höjd och bredd. DK sattes till ett ganska högt värde och användes för att
reglera stabilitet av höjd och bredd. Stabiliteten påverkades även av utsticket, vilket
reglerades. Med stabilitet menas i detta fall små variationer i höjd och bredd. Vidare
sattes Ts till ett högt värde och sänktes stegvis tills att en stabil rilla med jämn geometri
erhållits. Rillornas stabilitet fastställdes med digitalt skjutmått, övriga faktorer genom
analys enligt ovan nämnt tillvägagångssätt. Fyra prover från varje rilla analyserades.
5.1.7 Optimering av sicksack rillor
För ett svetsa fram ett Sicksack-mönster skapades ett robotprogram där dimensioner
och längden på mönstret lätt kunde ändras. Se program i bilaga B.
Vid svetsning av sicksack-mönster accelererar och retarderar svetsverktyget.
Långsammast går det i kurvorna vilket leder till högre materieluppbyggnad.
Optimeringsprocessen har handlat om att minimera variationen och samtidigt erhålla
högsta möjliga framföringshastighet. Utgångspunkten var de optimala parametrarna för
raka rillor. Då en större radie möjliggör högre framföringshastighet utan ökad
materieluppbyggnad undersöktes detta samband. Zonen på roboten varierades från lågt
till högt. Då en zon med lämplig radie identifierats höjdes framföringshastigheten
stegvis. De värden vilka gav en liten variation mellan höjd och bredd i såväl kurvor som
raksträckor valdes. Analys av svetsen skedde enligt tidigare nämnt stycke om analys.
Fyra prover togs på varje rilla enligt figur 15.
Figur 14: Provplacering på sicksackrilla.

27
5.1.8 Lutande profil
Arbetsstycket vinklades 90° genom att rotera arbetsbordet enligt figur 16. Experimentet
utfördes med samma rutiner som under SFP-försöken. Parameterinställningar valdes
till de optimerade värdena för raka rillor.
Figur 15: Provrigg vid prover med lutande profil.
5.1.9 CMT-pin
Ett dynamiskt robotprogram för PIN-svetsning skapades för att enkelt kunna redigera
dimensioner och ordning på det mönster av pinnar som byggs upp. (Se program i bilaga
B). Då det inte fanns någon anpassad synergilinje med Haynes 230 som bas- och
tillsatsmaterial var första steget att testsvetsa med de olika synergilinjerna. Detta gjordes
genom att svetsa fem pinnar efter varandra för varje synergilinje och kontrollera dess
form och inträngning i basmaterialet. Efter att en acceptabel inställning för processen
tagits fram gjordes ett svetsförsök med ett ordnat mönster.

28
6 Resultat
I följande kapitel presenteras resultatet av de ingående momenten i projektet.
6.1 Besök hos Axson
Under den inledande veckan av projektet utfördes ett studiebesök på Axson AB i
Göteborg. Syftet med besöket var att få en inledande utbildning om processen, upprätta
en dialog samt införskaffa synergilinjer. Under besöket utfördes de första
svetsförsöken. Försöken utfördes med tre olika synergilinjer för att hitta den mest
lämpade för kommande svetsförsök. Efter besöket analyserades svetsresultaten, vilket
kan ses i figur 17 och 18. Rillorna såg på plats bra ut, enligt dåvarande kravbild, men
uppvisade vid makro- och mikroanalys både sprickor, bindfel och otillräcklig
inträngning. Den valda synergilinjen var avsedd för Inconel 685.
Figur 16: Makroprov från en tidigt rilla (t.v.) och dess vänstra tå (t.h.).
Figur 17: Visar sprickor och bindfel mellan bas- och tillsatsmaterial
av en annan rilla med samma synergilinje, förstorat x500.

29
6.2 Undersökning av styrande parametrar
För att förbereda inför SFP-försöken ägnades tid åt att erhålla kunskap om processen
och dess parametrar. Prover utfördes både med tillsatsmaterialen Haynes 230 och
Inconel 625 med tråddiametrar Ø0,9 mm och Ø1mm. Haynes 230 visade lovande
resultat medan Inconel 625 gav instabila eller utflutna rillor (se figur 19). Följande fyra
parametrar ansågs ha störst inverkan på processen:
 Framföringshastighet: Den hastighet med vilken roboten för fram
svetsverktyget.
 Trådmatning: Den hastighet med vilken tråd matas in i smältan.
 Båglängdskorrigering: Reglerar frekvensen med vilken droppöverföring sker.
Parametern är reglerbar från -30% till +30% av utgångsfrekvensen 70 Hz.
Justering ökar eller sänker effekten och bidrar till en varmare respektive kallare
smälta.
 Dynamikkorrigering: Påverkar dynamiken av kortslutningsfasen. Parametern
är reglerbar från -5% till +5% av ett förinställt värde på strömpiken i
synergilinjen. Justering leder till en mer eller mindre stabil ljusbåge. [30]
Figur 18: Rillor med tillsatsmaterialet Inconel 625 1 mm tråd.

30
6.3 Statistisk försöksplanering
Resultatet från SFP-försöken är indelat i tre underrubriker.
6.3.1 Parameterundersökning
Först undersöktes olika synergilinjer, det visade sig att Nibas 625 C1704 för 1mm tråd
var bäst lämpad. Det första försöket resulterade i ett stort antal ostabila rillor. Mängden
ostabila rillor ledde till beslutet att inte utföra regressionsmodeller med data från
försöket. Tillsammans med vidare experimentering resulterade försöket i identifiering
av ett styrande samband enligt ekvation 4 nedan. Formeln säger att kvoten mellan Wfs
och Ts ska vara större än ett specifikt värde för att en stabil process ska erhållas. Med
stabil menas i detta fall en process där smältan inte ”tappas” vilket ger en jämn höjd
och bredd längst hela rillan.
𝑊𝑓𝑠
𝑇𝑠
> 𝑋 (4)
6.3.2 SPF-försök 1
Resultatet av 22
-faktorförsöket var regressionsmodeller över rillans höjd, bredd,
inträngning och vinkel samt värmetillförsel vid svetsning. Det visade sig att de
framtagna regressionsmodellerna inte täckte det önskade utfallsrummet.
Regressionsmodellerna gällde endast för rillor vilka var för stora. Dock gav de en tydlig
indikation i vilken riktning trådmatning och framföringshastighet bör regleras för att
minska geometrin hos rillan.
Resultatet från det reducerade 42
-faktorförsöket var också regressionsmodeller över
samtliga faktorer. Denna gång täckte regressionsmodellerna det önskade utfallsrummet
och kunde användas för vidare optimering av rillans geometri.
Resultatet av regressionsmodellerna är indelat efter de beroende variablerna. För varje
modell kommer ett diagram över huvudeffekter, samverkan och signifikanta parametrar
och samspel presenteras. Därefter kommer ekvationen för regressionslinjen att listas.
Regressionsmodellerna är baserade på data i bilaga C. Efter regressionsmodellen
kommer ett spridningsdiagram över residualerna att presenteras, vars syfte är att
bekräfta normalfördelningen hos insamlad data och därmed även visa att
regressionsmodellen är giltig. Förklaringsgraden R2
och residualspridningen S kommer
även presenteras i samma syfte.

31
6.4.1 Modell över höjd
Huvudeffektsdiagrammet i figur 20 visar att Ts har störst inverkan på rillans höjd.
Utöver Ts har även Wfs och BLK inverkan på höjden. För att uppnå den eftersträvade
låga höjden bör Ts hållas till en hög nivå, Wfs till en låg och BLK hög.
Interaktionsdiagrammet i figur 20 visar att det finns samverkan mellan Ts och Wfs samt
BLK och DK. Nivån av Ts har större betydelse då Wfs är satt till en hög nivå. Vald
nivå av BLK har enbart betydelse då DK är satt till en hög nivå.
Figur 19: Visar huvudeffekts- och interaktionsdiagram för utfallet på höjden.
Paretodiagramet i figur 21 visar att Ts, Wfs, BLK och samspelet mellan Ts*Wfs har
signifikant inverkan på utfallet för höjden. Regressionsmodellen kommer därför bestå
av dessa termer, se ekvation 5 nedan. Trots koncentrationer vid standardavvikelsen 1
och -1 kan residualerna, i figur 21, approximeras till en rät linje. S är lågt och R2
högt,
regressionsmodellen med höjd som utfall anses därför vara giltig.
𝐻 = 1,61 − 0,17𝑇𝑠 + 0,07𝑊𝑓𝑠 − 0,06𝐵𝐿𝐾 − 0,06𝑇𝑠𝑊𝑓𝑠 (5)
S = 0,12 R2
= 86,20 %
Figur 20: Paretodiagram (t.v.) över signifikanta parametrar och samspel samt spridningsdiagram (t.h.) över residualerna.

32
6.4.2 Modell över bredd
Huvudeffektsdiagrammet i figur 22 visar att Wfs har störst inverkan på rillans bredd.
Ts och BLK har också inverkan, dock inte till samma grad. För att uppnå en tunn rilla
bör Wfs sättas till en låg nivå medan Ts och BLK sätts till en hög nivå.
Interaktionsdiagrammet i figur 22 visar att det finns svag samverkan mellan Ts och Wfs
samt Ts och DK. En tydligare samverkan hittas mellan BLK och DK. Variationen i Ts
har marginellt större betydelse då Wfs är låg. Samma gäller variationen i Ts då DK är
låg. BLK har större inverkan då DK är låg.
Figur 21: Visar huvudeffekts- och interaktionsdiagram för utfallet av bredden.
Paretodiagrammet i figur 23 visar att Ts, Wfs, och BLK har signifikant inverkan på
utfallet av bredden. Regressionsmodellen kommer därför bestå av dessa termer, se
ekvation 6 nedan. Residualerna följer den approximerade linjen väl och är
koncentrerade till mitten. S är något högt men eftersom R2
är högt anses
regressionsmodellen för bredden ändå gälla.
𝐵 = 5,11 − 0,27𝑇𝑠 + 0,78𝑊𝑓𝑠 − 0,20𝐵𝐿𝐾 (6)
S = 0,39 R2
= 90,60 %

33
6.4.3 Modell över inträngning
Huvudeffektsdiagrammet i figur 24 visar att samtliga parametrar har inverkan på
inträngningen. Interaktionsdiagrammet i figur 24 visar på stark samverkan mellan
samtliga parametrar. Dock är detta resultat missvisande då ett värde i försöket har stor
avvikelse från det approximerade värdet vilket förvränger bilden av modellen.
Figur 23: Visar missvisande huvudeffekts- och interaktionsdiagram för utfallet av inträngningen.
Paretodiagrammet i figur 25 är också baserad på missvisande data och visar att endast
Ts har signifikant inverkan. Studeras residualerna i figur 25 syns en tydlig avvikelse från
den approximerade linjen medan R2
= 52,66 %, ett alldeles för lågt värde.
Regressionsmodellen anses därför vara felaktig. På grund av att regressionsmodellen är
ogiltig har ekvationen inte presenterats. Istället har det avvikande värdet anpassats till
det approximerade värdet.

34
Följande diagram är baserade på korrigerad data. I figur 26 visas huvudeffekts- och
interaktionsdiagram. I huvudeffektsdiagrammet avläses att Ts och BLK har inverkan
på inträngningen. För att erhålla maximal inträngning ska Ts ha ett lågt värde och BLK
ett högt. Interaktionsdiagrammet i figur 26 visar på starka samspel mellan Ts och Wfs
samt BLK och DK. Då Wfs är satt till en låg nivå har nivån på Ts större betydelse. Då
DK är satt till en hög nivå har nivån på BLK större inverkan.
Figur 25: Visar huvudeffekts- och interaktionsdiagram för utfallet av inträngningen. Diagrammen är baserade på data
där det avvikande värdet anpassats till det approximerade värdet.
Paretodiagrammet i figur 27 visar att Ts, BLK och Ts*Wfs är signifikanta och kommer
ingå i regressionsmodellen, se ekvation 7. Residualerna följer nu den approximerade
linjen med en koncentration i mitten, S är lågt och R2
högt. Därav anses
regressionsmodellen gälla.
𝐼 = 0,48 − 0,10𝑇𝑠 + 0,06𝐵𝐿𝐾 + 0,04𝑇𝑠𝑊𝑓𝑠 (7)
S = 0,04 R2
= 94,30%
Figur 26: Visar paretodiagram över signifikanta parametrar och interaktioner (t.v.) och spridningsdiagram över
residualerna (t.h.). Diagrammen är baserade på data där det avvikande värdet anpassats till det approximerade värdet.

35
6.4.4 Modell över vinkel
Huvudeffektsdiagrammet i figur 28 visar att Wfs har störst inverkan på vinkeln. Utöver
Wfs är Ts den enda parameter med inverkan. För att uppnå minsta möjliga vinkel bör
både Wfs och Ts sättas till en låg nivå. Interaktionsdiagrammet i figur 28 visar att det
finns samverkan mellan samtliga termer. Intressant att notera är sambandet mellan BLK
och DK. Samma vinkel erhålls då BLK och DK är satta till låga värden som då de är
satta till höga.
Figur 27: Visar huvudeffekts- och interaktionsdiagram för utfallet av vinkeln.
Paretodiagrammet i figur 29 visar att Ts och Wfs har inverkan på utfallet av vinkeln, Ts
har klart störst inverkan. Regressionsmodellen kommer bestå av de två termerna, se
ekvation 8. Residualerna i spridningsdiagrammet följer linjen med små avvikelser och S
håller en låg nivå. Dock är R2
något lågt. Regressionsmodellen bör därför användas
med försiktighet.
𝛼 = 134,84 + 3,03𝑇𝑠 + 6,47𝑊𝑓𝑠 (8)
S = 5,59 R2
= 79,12 %

36
6.4.5 Modell över värmeöverföring
Huvudeffektsdiagrammet i figur 30 visar att Wfs och Ts har störst inverkan på
värmeöverföringen Q. BLK har också inverkan men svagare. För att erhålla lägst
värmeöverföring ska Ts sättas till en hög nivå medan Wfs och BLK ska hållas låga.
Interaktionsdiagrammet i figur 30 visar att det finns samverkan mellan BLK och DK.
Nivån på BLK har enbart inverkan då DK är satt till en låg nivå.
Figur 29: Visar huvudeffekts- och interaktionsdiagram för utfallet på värmeöverföringen vid svetsning.
Paretodiagrammet i figur 31 visar att Ts, Wfs, BLK, Ts*Wfs, Ts*DK och Ts*BLK har
inverkan på utfallet för värmeöverföringen Q. Regressionsmodellen kommer därför
bestå av dessa termer, se ekvation 9. Residualerna i spridningsdiagrammet följer den
approximerade kurvan med en koncentration i mitten, S är låg och R2
mycket hög.
Regressionsmodellen anses därför gälla.
𝑄 = 94,56 − 18,56𝑇𝑠 + 13,96𝑊𝑓𝑠 + 7,04𝐵𝐿𝐾 − 3,70𝑇𝑠𝑊𝑓𝑠 − 1,29𝑇𝑠𝐵𝐿𝐾 + 1,95𝑇𝑠𝐷𝐾 (9)
S = 1,3 R2
= 99,85 %

37
6.4.6 Sammanfattning av regressionsmodeller
Inför optimeringen sammanfattades resultatet från regressionsmodellerna i tabell 3.
Tabellen visar hur varje parameter bör ställas in för att närma sig kravbilden i figur 10.
En optimal rilla har låg höjd, liten bredd, ganska stor vinkel, stor inträngning och liten
värmetillförsel samtidigt som framföringshastigheten är hög. Ett val om att plocka bort
DK gjordes då den har liten påverkan på samtliga beroende variabler. DK har dock
inverkan på rillans stabilitet och användes därför i syfte att erhålla en jämnare form.
Eftersom det inte gick att få till optimala värden på samtliga beroende variabler valdes
höjd, bredd och värmeöverföring ut som de viktigaste. Tabellen visar då att Wfs bör
vara satt till en låg nivå medan Ts och BLK är satta till en hög nivå.
Det går exempelvis inte att optimera för en minimal värmetillförsel samtidigt som
inträngningen blir stor, då de är varandras motsatser.
Tabell 3: Nivåer hos respektive beroende variabel
för optimalt resultat av de oberoende variablerna.
6.5 Optimering av raka rillor
Syftet med optimeringen var att hitta de inställningar som gav minst tvärsnitt och jämn
geometri på rillan. Resultatet av optimeringen är uppdelat i två delar där den första delen
redovisar rillans form och dimensioner medan den andra delen behandlar rillans
metallurgiska egenskaper. De parameterinställningar optimeringen tillslut baserades på
presenteras nedan:
Synergilinje: Nibas 625, 1mm, C1704
Framföringshastighet Ts: XX mm/s
Trådmatningshastighet WFS: X m/min
Båglängdskorrigering BLK: XX %
Dynamikkorrigering: XX %
Utstick: 12mm
Wfs Ts BLK
H - + +
B - + +
α - - X
I + - +
Q - + +

38
6.5.1 Form och dimensioner
Den sinusformade rilla vilket var ett av kraven har genom optimering framställts.
Gällande dimensionerna har rillan en medelhöjd på 1,47 mm och en medelbredd på
3,80 mm. Även inbränningen visar god karaktär med ett medeldjup på 0,54 mm.
Inbränningen sträcker sig ända ut till rillans kanter och ger därför en god bindning
mellan bas- och tillsatsmaterial. Den optimerade rillan kapades på fyra slumpmässigt
valda punkter för att kontrollera hur de olika dimensionerna varierade längst med rillan.
Data är samlad i tabell 4 och makroprov av de fyra snitten visas i figur 32 nedan.
Slutligen visas en bild över rillor med optimala inställningar i figur 33.
Tabell 4: Dimensioner av optimerad rak rilla.
Figur 31: Makroprover 1, 2, 3 och 4 från den optimerade raka rillan.
Figur 32: Överskitsbild över de optimerade raka rillorna.
1 2
3 4

39
6.5.2 Metallurgiska egenskaper
Gällande de metallurgiska egenskaperna visar mikroanalyser mycket god
materialstruktur på samtliga prover. Ett exempel på rillans struktur visas i figur 34.
Svetsrillan är fri från sprickor och bindfel. Små porer förekommer inneslutna i
tillsatsmaterialet, de utgör dock ingen risk vid den aktuella tillämpningen. Den
värmepåverkade zonen tycks inte existera och bevisas även genom hårdhetsmätningar
vilka presenteras i nästa stycke. I figur 34 visas ett exempel på ett av rillans hörn där det
är hög risk för bindfel och sprickor. Bilden visar att de inte finns någon tendens till
varken sprickor eller bindfel i detta fall.
Figur 33: Visar materialstrukturen (t.v.), en por förstorad 100x (uppe t.h.) och tån på en rilla (nere t.v.).

40
6.5.3 Hårdhetsprovning med Vickers metod
På de optimerade rillorna utfördes hårdhetsmätningar med syfte att undersöka
skillnader i hårdhet mellan basmaterial, tillsatsmaterial och HAZ. Mätningarna visar att
hårdheten tenderar att ha en liten variation mellan de olika zonerna. Vid svetsning bildas
HAZ precis under inträngningen av tillsatsmaterialet och vid hårdhetsmätning bör
därför en lokal ökning av hårdheten ske i detta område. Figur 35 visar ett hårdhetsprov
där 12 mätningar från tillsatsmaterialet, ända ner till basmaterialet, utförts. Den orangea
mätpunkten visar en mätning vilken utfördes precis under inträngningen. Då inte
hårdheten ökar i detta område kan det konstateras att HAZ är minimal. I Figur 36 visas
en sammanställning av hårdhetsmätningar från fyra olika prover. Här visas även
hårdhetsmätningar från en sicksack-formad rilla. Analyseras diagrammet verkar raka
rillor ger ett hårdare tillsatsmaterial jämfört med sicksack-formade rillor. En fullständig
utvärdering av hårdhetsmätningarna finns bifogade i Bilaga D.
Figur 34: Diagram över var intrycken vid hårdhetsmätning skett.
Figur 35: Samanställning över intrycken vid samtliga mätningar.
Svets
HAZ
Basmaterial

41
6.6 Optimering av sicksack rillor
Ett sicksack-mönster togs fram på begäran av Siemens. Parameterinställningar för den
optimerade raka rillan användes även vid dessa försök. Undersökning av zonens
påverkan visade att en ökning av radien gav en mer stabil rilla, utan högre
materieluppbyggnad i kurvorna. Då Siemens i Finspång begärde en så liten radie som
möjligt sattes försök upp där zonen varierades till dess att rätt värde på denna var
funnen. Data från försöken finns samlad i bilaga A. Mikro- och makroanalys utfördes
därefter, se bilaga E, analysen visade att rillorna var fria från sprickor och bindfel samt
hade liknande dimensioner som de raka optimerade rillorna. Figur 37 visar ett exempel
på ett sicksack-mönster.
Figur 36: Sicksackrillor med optimala parametrar.
6.7 Lutande Profil
Resultatet av försöken med att åstadkomma en lutande profil kan ses i figur 38. Figuren
visar att vänster vinkel är 13° större än höger vinkel samt att toppen på rillan är något
förskjuten till höger. Det finns därför tendens till att svetsning med ett vertikalt lutande
arbetsbord kan ge en lutande profil, dock inte i den grad som önskas.
Figur 37: Makroprov av lutande profil.

42
6.8 CMT-pin
Resultatet för CMT-pin var inte enligt förhoppningar. Varken rätt form eller godtycklig
inträngning gick att åstadkomma med de synergilinjer som fanns tillgängliga. Många av
de pinnar vilka svetsades fast på basmaterialet gick att slå loss med hammare. I figur 39
visas det mönster som svetsades fram med CMT-PIN.
Figur 38: Mönster med CMT-pin.
7 Analys och diskussion
Här analyseras de resultat som framkommit och de tankar som uppstått under projektets gång.
7.1 Mål
Samtliga mål med projektet har uppnåtts. Genom studiebesök och möten på Siemens i
Finspång har en förståelse för konstruktionsavdelningens resonemang kring en ny
kravbild växt fram. Försök har utformats för att stegvis uppnå målen. Formen på den
raka rillan liknar nu den framförda kravbilden. Medelhöjden ligger inom det lilla
intervallet. Bredden blev något större än den ursprungliga kravbilden men tros ändå
vara acceptabel. Om inte skulle mindre tråddiameter ge en mindre rilla enligt Almeida
och Williams [31]. Viktigt att notera är att en kall plåt leder till en mindre jämn rilla. Det
är därför viktigt att ha en viss värme i basmaterialet vid deponering då de optimerade
parametrarna ligger på gränsen till instabilitet.
De skarpa vinklar vilka syntes på de första försöken har genom upprepade SFP-försök
korrigerats till att bli större. De tidiga rillorna saknade även inträngning och uppvisade
både sprickor och bindfel, något som helt eliminerats. Inre porer förekommer
fortfarande i rillan. Porerna kommer inte orsaka några problem då de är små och
inneslutna i svetsen. Eftersom sprickor vid rillans tår är extra känsliga undersöktes de
noggrant.

43
7.2 SFP-försök
SFP-försöken designades genom att undersöka svetsens karakteristik. För utförande av
mätningar var en jämn höjd och bredd samt godtycklig inträngning nödvändigt. För att
göra en eventuell implementering av tekniken mer ekonomiskt försvarbar valdes en hög
framföringshastighet vid försöken. Angående val av intervall har en 50 procentig ökning
från låg till hög nivå använts för Ts och Wfs.
Andra omgången bestod av ett reducerat försök på grund av tidsbrist. Reducerade
försök är dock vanliga då de är mer ekonomiskt försvarbara men ändå behåller en hög
tillförlitlighetsgrad.
Över lag stämmer regressionsmodellerna bra med låga värden på residualspridningen S
och höga värden hos förklaringsgraden R2
. Minst noggrannhet återfinns hos modellen
över inträngning. Ett värde avvek av oförklarlig anledning och förvrängde därmed
modellen. För att erhålla en mer korrekt modell över inträngningen justerades, som
tidigare nämnt, det avvikande värdet till ett mer relevant värde. Modellen stämde då
bättre. Den reglerade modellen visar att inträngningen bland annat beror på samverkan
mellan Wfs och Ts, vilket också bekräftats vid praktiska försök.
Angående mätningar finns det yttre faktorer vilka påverkat modellerna. Karaktären på
en rilla beror till stor del på den värme som återfinns i plåten vid svetsnigning, vilket
kan leda till omätbara variationer. Under försöken har rutiner följts för att hålla en jämn
temperatur innan varje rilla ska svetsas.
En annan faktor med inverkan på främst höjd, bredd och vinkel är den pulserande
karaktären av CMT-processen. Det innebär att mätningar kan variera beroende var på
rillan de utförts. En lösning på problemet hade varit att utföra flera mätningar på samma
rilla. Resultatet hade varit en mer korrekt modell. Arbetet hade dock krävt mer tid och
utfördes inte på grund av projektets omfattning.
Den tredje faktorn är precisionen i de utförda mätningarna. Samtliga beroende variabler
förutom vinkeln har kunnat mätas med hög noggrannhet. Vinkeln har varit ett
medelvärde mellan de båda tåvinklarna i tvärsnittet.
7.4 Försöksresultat
Prover med sicksack-mönster gav resultat över förväntan, dels då smältan hölls stadig
genom kurvorna samtidigt som höjdskillnaden i där var mindre än förväntat. På grund
av acceleration och retardation före och efter kurvor hålls inte hastigheten konstant.
Dock ligger medelhastigheten fortfarande på det inställda värdet. Resultaten antyder att
svetsverktyget har en högre framföringshastighet på varannan raksträcka, vilket leder
till små variationer i bredd och höjdled. Val av zon i kurvorna hade en stor betydelse
för rillans stabilitet. Högre zonvärde gav en stabilare rilla.

44
Gällande undersökning av lutande profiler gav ett vertikalt positionerat arbetsstycke, se
figur 16, tendenser till lutning av rillans tvärsnitt. Dock inte i den utsträckning vilket
begärdes. Efter vidare analys skulle möjligtvis en infallsvinkel skild från 90°, tillsammans
med ett vertikalt arbetsstycke, kunna ge en större lutning på rillan. Förslaget om att
bygga upp en lutande profil genom flera lager uteslöts då den minsta rillan som gick att
tillverka var för stor för denna tillämpning. Dock skulle det vara intressant att undersöka
denna idé med laser och pulver, där mindre rillor kan uppnås.
CMT-pin visade, som ovan nämnt, inga goda resultat. Orsaken till det tros vara att inga
synergilinjer anpassade för Haynes 230 fanns att tillgå. Då en mycket speciell och liten
geometri ska byggas är processen känslig. Axson nämnde även efteråt att rätt
uppblandning av skyddsgas i kombination med synergilinje är extra viktigt vid CMT-
pin. I de utförda försöken användes ren Ar där gasblandningen M21 +5% He
efterfrågades för de flesta synergilinjer.
Signifikansnivån under regressionsmodellerna sattes till 10 %. Valet av den höga nivån
beror på att processen är ny och därför bör inte parametrar och sampel med en något
högre signifikansnivå uteslutas än.
7.5 Analys av start- och stoppsekvenser
Under arbetet har avgränsningar av start- och stoppsekvenser vid svetsning satts, de har
därför inte behandlats. Vid start tenderar svetsen att bli både bredare och högre och vid
slutet av rillan smalna av. Dessa sekvenser kan skapa problem vid eventuell
implementering av metoden. Graden av inverkan beror på det använda svetsmönstret.
Idag finns ca 50 kylturbulatorer per mantel vilket skulle ge lika många start- och
stoppsekvenser och därmed även öka inverkan. Skulle istället samtliga kylturbulatorer
tillverkas som en spiral uppstår endast en startsekvens och en stoppsekvens. Därmed
minskas inverkan av den varierande geometrin hos sekvenserna. Om ett spiralformat
mönster skulle visa sig olämpligt är ett annat alternativ optimering av
parameterinställningar vid just start- respektive stoppsekvenser.
Nästan alla försök har varit sprutfria vilket i teorin nämns som en av de starka sidorna
med CMT. Det lilla sprut som förekommit har bildats just vid start och stopp och skulle
via optimering troligtvis kunna minimeras.
7.6 Noggrannhet av robot och processvariation
En robot har under projektet använts för deponering av tillsatsmaterial vid samtliga
försök. Industrirobotar har idag bra repeterbarhet gällande att återvända till samma
koordinat vid upprepade tillfällen. Dock är noggrannheten sämre då uppgiften är att
följa en programmerad bana. Enligt ABB [32] har IRB1400 en noggrannhet på 0,46–
1,0 mm när den följer en bana. Robotens noggrannhet i samverkan med antalet axlar i
rörelse kan ha inverkan på processens stabilitet. Inverkan kan förstärkas då CMT-

Examensrapport_Siemens_offentlig

Examensrapport_Siemens_offentlig

Recommended

Recommended

More Related Content

Featured

Featured (20)

Examensrapport_Siemens_offentlig