Consideration of digitized robotic welding in design
Pellinen, Henri (2020)
Diplomityö
Pellinen, Henri
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020050525092
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020050525092
Tiivistelmä
In this master thesis, it was studied how digitized robotic welding needs to be taken into consideration when designing structures and how digitalization can be taken into account in robot welding. Robot welding improves production rate, but equipment costs are high. Traditionally, robot welding has been financially beneficial only in medium to high volume production. With possibilities from digitized production, the aim is to make the robot welding profitable also in low volume production.
The thesis was done by combining the literature review and two case studies. In the literature review, design aspects for robotic welding were investigated and digitized robot welding process studied. In case studies, the structural shape of K-joint and end of trapezoidal stiffener were studied with analytical calculations and finite element method.
Based on the literature review, it was found out that in robotic welding things, such as groove shape and welding positions, need careful designing to be able to achieve good quality weld and structure. Both, limitations and possibilities, affecting to design were found out in the study. In digitized welding, the fabrication needs to be accomplished successful at once because there isn’t a possibility to make unplanned changes in midstream.
In case studies, it was found out that overlapped tubular K-joint has a better static and fatigue strength than K-joint with a gap. Square bird peak K-joint has even better strength than those two. Beveling the end of trapezoidal reduces peak stress in the weld toe. It was found out that straight 45° bevel was better than arc-shapes. Bending the tips of the stiffener could improve the fatigue life but determination of the optimal shape needs additional research. Tässä diplomityössä tutkittiin, miten digitaalinen robotti hitsaus pitää ottaa huomioon rakenteita suunniteltaessa ja miten digitalisaatio voidaan ottaa huomioon robotti hitsauksessa. Robotti hitsaus parantaa tuotantomäärää, mutta laitteistokustannukset ovat suuret. Perinteisesti robotti hitsaus on ollut taloudellisesti hyötyisä ainoastaan keskisuurissa ja suurissa tuotantomäärissä. Digitaalisen tuotannon mahdollistamana tavoite on tehdä robotti hitsauksesta kannattavaa myös pienillä tuotantomäärillä.
Diplomityö tehtiin yhdistämällä kirjallisuuskatsaus ja kaksi tapaustutkimusta. Kirjallisuuskatsauksessa tutkittiin suunnittelunäkökulmia robotti hitsaukseen ja digitaalisen robotti hitsauksen prosessia. Tapaustutkimuksissa tutkittiin K-liitoksen ja puoli-suunnikkaanjäykisteen rakenteellista muotoilua analyyttisilla laskelmilla sekä elementtimenetelmällä.
Kirjallisuustutkimuksen perusteella huomattiin, että robotti hitsauksessa asiat, kuten railon muoto ja hitsausasento, tarvitsevat tarkkaa huomioimista suunnittelussa, jotta hyvälaatuinen hitsi ja rakenne saavutetaan. Tutkimuksessa löydettiin sekä rajoituksia että mahdollisuuksia, jotka vaikuttavat suunnitteluun. Digitaalisessa hitsauksessa valmistus pitää tapahtua yhdellä yrittämällä, koska kesken kaiken ei ole mahdollisuutta tehdä suunnittelemattomia muutoksia.
Tapaustutkimuksissa selvisi, että limittäisellä rakenneputkien K-liitoksella on parempi staattinen- ja väsytyskestävyys kuin välillisellä K-liitoksella. Square bird peak -tyyppisellä K-liitoksella oli vielä parempi kestävyys kuin näillä kahdella. Viisto puolisuunnikkaan jäykisteen pää vähentää huippujännitystä hitsin rajaviivalla. Suoran 45° viisteen huomatiin olevan parempi kuin kaarevan muotoisten. Taivuttamalla jäykisteen päitä voisi parantaa väsymiskestävyyttä, mutta optimaalisen muodon löytäminen tarvitsee lisätutkimusta.
The thesis was done by combining the literature review and two case studies. In the literature review, design aspects for robotic welding were investigated and digitized robot welding process studied. In case studies, the structural shape of K-joint and end of trapezoidal stiffener were studied with analytical calculations and finite element method.
Based on the literature review, it was found out that in robotic welding things, such as groove shape and welding positions, need careful designing to be able to achieve good quality weld and structure. Both, limitations and possibilities, affecting to design were found out in the study. In digitized welding, the fabrication needs to be accomplished successful at once because there isn’t a possibility to make unplanned changes in midstream.
In case studies, it was found out that overlapped tubular K-joint has a better static and fatigue strength than K-joint with a gap. Square bird peak K-joint has even better strength than those two. Beveling the end of trapezoidal reduces peak stress in the weld toe. It was found out that straight 45° bevel was better than arc-shapes. Bending the tips of the stiffener could improve the fatigue life but determination of the optimal shape needs additional research.
Diplomityö tehtiin yhdistämällä kirjallisuuskatsaus ja kaksi tapaustutkimusta. Kirjallisuuskatsauksessa tutkittiin suunnittelunäkökulmia robotti hitsaukseen ja digitaalisen robotti hitsauksen prosessia. Tapaustutkimuksissa tutkittiin K-liitoksen ja puoli-suunnikkaanjäykisteen rakenteellista muotoilua analyyttisilla laskelmilla sekä elementtimenetelmällä.
Kirjallisuustutkimuksen perusteella huomattiin, että robotti hitsauksessa asiat, kuten railon muoto ja hitsausasento, tarvitsevat tarkkaa huomioimista suunnittelussa, jotta hyvälaatuinen hitsi ja rakenne saavutetaan. Tutkimuksessa löydettiin sekä rajoituksia että mahdollisuuksia, jotka vaikuttavat suunnitteluun. Digitaalisessa hitsauksessa valmistus pitää tapahtua yhdellä yrittämällä, koska kesken kaiken ei ole mahdollisuutta tehdä suunnittelemattomia muutoksia.
Tapaustutkimuksissa selvisi, että limittäisellä rakenneputkien K-liitoksella on parempi staattinen- ja väsytyskestävyys kuin välillisellä K-liitoksella. Square bird peak -tyyppisellä K-liitoksella oli vielä parempi kestävyys kuin näillä kahdella. Viisto puolisuunnikkaan jäykisteen pää vähentää huippujännitystä hitsin rajaviivalla. Suoran 45° viisteen huomatiin olevan parempi kuin kaarevan muotoisten. Taivuttamalla jäykisteen päitä voisi parantaa väsymiskestävyyttä, mutta optimaalisen muodon löytäminen tarvitsee lisätutkimusta.