Investigation of using fiber laser and CMT technology in welding of Docol pipes

Abstract This thesis is a collaboration between Polytechnic university of Milan and ABB Company. The aim of this work is investigation on the deformation of DOCOL M pipes caused by welding. Conventional welding process often fails to provide adequate joint in high strength steel and also makes residual stress and deformation in the components, therefore welding with three different unconventional technologies are performed: Proximity laser welding, wobbling laser welding and CMT (Cold Metal Transfer) welding. Possibility and feasibility of these three technologies on three joints configuration (butt joint, flanged joint and lap joint) are studied. The effects of main process parameters (mainly power and velocity) on the microstructure are studied as well. The planarity of pipes after final welding is measured. For Proximity laser welding the planarity is remained intact but Remote laser welding changes the planarity to some extent. Proximity and Wobbling Laser welding are carried out without filler metal. Therefore the joint has the same chemical composition as the base material and its microstructure consists of martensite. Solidification in the weld metal lead to formation of coarse grains, whereas the heat affected zone (HAZ) remained fine-grained. The HAZ width for proximity laser welding is insignificant and hardness does not change considerably. For wobbling laser welding larger HAZ obtained in respect of proximity laser welding and hardness changes more than the latter one. CMT welding produces acicular microstructure of bainite (corresponding to lower hardness) and very larger HAZ in compares to two other technologies. The tolerance-cost is also modelled for different technologies. The welding cost is broadly classified in to two categories, namely fixed and variable cost. All in all the tolerance-cost per hour for laser is more than CMT welding. Keywords: Laser welding, CMT welding, Wobbling, High Strength Steel, Deformation

Sommario Questa tesi è una collaborazione tra Politecnico di Milano e la Società ABB. La giunzione degli acciai alto resistenziali presenta particolare difficoltà se eseguita con tecniche convenzionali, infatti l’alto impatto temrico di questi processi provoca elevate deformazioni e stress residui, particolarmente critici per le sollecitazioni a fatica. Per questo motivo le tecniche convenzionali di saldatura non sono in grado di assicurare, il più delle volte, una perfetta e durevole giunzione. In tal senso questo lavoro ha come obiettivo principale l’investigazione della deformazione residua a seguito di saldature con basso impatto energetico, come quelle laser o le cosiddette cold metal transfer (CMT), il materiale preso in esame è un alto resistenziale, in particolare dei tubi di DOCOL M. Le tecnologie sopracitate sono state studiate per differenti tipologie di giunto così da poter capire anche quale geometria si adattasse meglio alla particolare tecnologia. Verranno presentati gli effetti dei parametri principali di processo (potenza e velocità) sui giunti con un’analisi metallurgica ed in seguito calcolando le deformazioni ottenute su dei prototipo reali. L’analisi metallurgica sarà svolta ottenendo le sezioni del giunti e andandone a studiare la microstruttura a seguito di attacchi chimici, come è noto, la microstruttura delle saldatura laser rimarrà all’interno di quelle possibili per gli acciai alto resistenziali, in quanto questo tipo di saldatura è autogena (sena materiale d’apporto), Al contrario la saldatura CMT avrà una modificazione nella zona del cordone, proprio dovuta al filo d’apporto immesso con questo processo. Un’altra caratteristica importante da sottolineare per il sistema laser è che sono state eseguite delle prove anche con la testa a scansione, ciò ha dato la possibilità di capire l’effettiva utilizzabilità delle nuove tecniche di woobling in presenza di gap. In ultimo è stato sviluppato anche un modello di costo per quantificare in termini economici l’investimento relativo alle tecnologie usate, il modello è stato fatto in relazione al caso industriale affrontato Parole chiave: Saldatura laser , Oscillante, Saldatura CMT, Acciaio alto-resistenziale, Deformazione.