A Physics-Driven Model for the Closed-Loop Quality Control of Remote Laser Welding
Uzaktan Lazer Kaynağının Kapalı Çevrim Kalite Kontrolü için Fizik Odaklı Bir Model
- Tez No: 713712
- Danışmanlar: PROF. DR. DAREK CEGLAREK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Warwick
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 232
Özet
Uzaktan Lazer Kaynağı (RLW), ağırlık azaltma, yüksek hızlı işlem, çok çeşitli metalleri kaynaklama yeteneği ve daha iyi kaynak kalitesi gibi sunduğu avantajlar nedeniyle Gaz Metal Ark Kaynağı (GMAW), Direnç Nokta Kaynağı (RSW), Kendinden Delici Perçinleme (SPR) gibi geleneksel birleştirme yöntemlerine göre önemi artmıştır. Bu avantajlara rağmen, endüstride yaygın olarak uygulanmasını engelleyen çeşitli zorluklar da barındırmaktadır. Sunulan tez, korozyona karşı daha iyi direnç ve boyanın yüzeye daha iyi yapışması nedeniyle otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanıldığından, galvanizli çeliğin (yani çinko kaplı çelik) RLW'sini ele almaktadır. Bu tür çeliğin RLW'si zordur çünkü çinko buharı erimiş havuzu bozarak kaynak kusurlarına neden olur. Bu nedenle, RLW galvanizli çelik, çinko buharını kaynak ortamından havalandırmak için bir bağlantı boşluğu ile örtüşme konfigürasyonunda gerçekleştirilir. Galvanizli çeliklerin lazer kaynağı sırasında karşılaşılan önemli bir zorluk, iki metal arasında tutarlı bir bağlantı boşluğu elde etmektir. Boşluk çok genişse, iki metal bir araya gelmez. Boşluk çok dar ise patlamalar, sıçramalar ve gözenekler gibi kusurlarla kaynak gerçekleşir. Maksimum birleştirme aralığı, kaynak fikstürü tarafından kontrol edilir; oysa minimum birleştirme boşluğu lazerle gamzeleme işlemi (yani bir yukarı akış işlemi) tarafından kontrol edilir. Literatürde, lazerle gamzeleme işlemi ile ilgili aşağıdaki araştırma boşlukları tespit edilmiştir. Bu boşluklar aşağıdaki gibidir: (i) gamze kalitesini belirlemek için temel performans göstergelerinden yoksundur, (ii) çoklu girdileri (yani temel kontrol karakteristikleri) ve çoklu çıktıları (yani temel performans göstergeleri) dikkate alan gamzeleme sürecinin kapsamlı bir karakterizasyonundan yoksundur, ve (iii) süreç varyasyonunu dikkate alan gerçek bir üretim sisteminde etkili bir uygulama. Literatürde yukarıda bahsedilen sınırlamaları aşarak, sunulan tez, (i) fiziksel deneyler yaparak çok girdili ve çok çıktılı sistemi dikkate alan gamzeleme işlemi karakterizasyonu için vekil modeller, (ii) proses gereksinimlerinin ihlali durumunda istenen proses serpinti oranının tahmin edilmesini sağlayan geliştirilmiş vekil modellere dayalı proses yetenek uzayları, ve (iii) geliştirilen süreç yetenek uzaylarına dayalı süreç parametrelerinin optimizasyonu. Kaynak kalitesi, endüstriyel standartlarda (EN ISO 13919-1, 1997; EN ISO 13919-2, 2001) tanımlanan temel performans göstergeleriyle ölçülür. Kaynak, her bir anahtar performans göstergesi, tanımlanmış izin verilen sınırları karşılayacak şekilde üretilmelidir ve bu sınırlardan herhangi bir sapma, kaynak hatası olarak kabul edilir. Kaynak profili önemlidir, çünkü kaynağın maksimum mukavemeti elde etmek için istenen bir profile sahip olması gerekir. Bu tezde kaynak profili, penetrasyon, üst genişlik, arayüz genişliği (yani füzyon bölgesi boyutları) ile belirlenir. Sunulan füzyon bölgesi boyutlarının, üretim durdurulmadıkça, ekonomik olarak gerekçesiz olduğu için neredeyse olanaksız olan kaynak işlemi sırasında doğrudan ölçülmesinin zor olduğuna dikkat edilmelidir; oysa süreç sinyalleriyle (ör. otistik, optik, termal) izlenebilir. Günümüzde proses içi izleme genellikle fotodiyotlar veya kameralar tarafından sağlanmaktadır. Sürecin anlaşılmaması nedeniyle, bir kaynak hatasının görünümü ile sinyal değişiklikleri arasındaki ampirik korelasyonlarla sınırlıdır. Mevcut proses içi izleme verilerini çoklu füzyon bölgesi boyutları ve kaynak proses parametreleriyle ilişkilendiren yöntemlerin ekslikliği, mevcut veriye dayalı proses içi izleme yöntemlerin kısıtlılığını belirtmektedir. Ayrıca, mevcut süreç içi izleme yöntemleri, füzyon bölgesi boyutlarının dolaylı ölçümleridir. Bu nedenle, kalite güvencesinin bir parçası olarak lazer kaynağının çevrimiçi izlenmesi için füzyon bölgesi boyutunun tahribatsız ölçümünü gerçekleştirmek için doğru bir model gereklidir. Bu gereksinime dayalı olarak, lazer kaynak işleminde meydana gelen fizik, sıralı modelleme ile ayrıştırılır. Aşağıdaki üç adımdan oluşur: (i) malzemeye etki eden lazer yoğunluğunun hesaplanması, (ii) bir analitik yöntem kullanılarak anahtar deliği profilinin hesaplanması ve (iii) sıcaklık dağılımını hesaplamak için FEM kullanılarak ısı denkleminin çözülmesi. Sıcaklık dağılımı elde edildikten sonra, bir izoterm seçilerek füzyon bölgesi profili tanımlanır. Daha sonra, yukarıda bahsedilen füzyon bölgesi boyutları (yani Penetrasyon, Üst Genişlik, Arayüz Genişliği), endüstriyel standarda göre hesaplanan füzyon bölgesi profilinden ölçülür.
Özet (Çeviri)
Remote Laser Welding (RLW) has grown in importance over conventional joining methods such as Gas Metal Arc Welding (GMAW), Resistance Spot Welding (RSW), Self-Pierce Riveting (SPR) since it offers advantages, such as weight reduction, high processing speed, ability to weld a wide range of metals, and better weld quality. Despite such advantages, it also poses several challenges that have prevented its widespread implementation in the industry. The presented thesis deals with the RLW of galvanized steel (i.e. zinc-coated steel) since it is widely used in the automotive industry due to better resistance to corrosion and better adhesion of the paint to the surface. However, RLW of such steel is challenging because the zinc vapour disturbs the molten pool resulting in weld defects. Therefore, RLW of galvanized steel is performed in overlap configuration with a joining gap to ventilate the zinc vapour from the welding area. An important challenge faced during the laser welding of galvanized steels is to achieve a consistent joining gap between two metals. If the gap is too wide, two metals do not join together. If the gap is too narrow, welding takes places with defects such as explosions, spatters and porosities. The maximum joining gap is controlled by the welding fixture; whereas, the minimum joining gap is controlled by the laser dimpling process (i.e. an upstream process). In the literature, the following research gaps have been identified regarding the laser dimpling process. These gaps are as follows: (i) lack key performance indicators to determine the dimple quality, (ii) lack a comprehensive characterization of dimpling process considering multi–inputs (i.e. key control characteristics) and multi–outputs (i.e. key performance indicators), and (iii) an effective implementation in a real manufacturing system taking into consideration process variation. Overcoming the aforementioned limitations in the literature, the presented thesis introduces proposes methodologies to develop: (i) surrogate models for dimpling process characterization considering multi–inputs and multi-outputs system by conducting physical experimentation, (ii) process capability spaces based on the developed surrogate models that allows the estimation of a desired process fallout rate in the case of violation of process requirements, and (iii) the optimization of the process parameters based on the developed process capability spaces. The weld quality is measured by key performance indicators defined in industrial standards (EN ISO 13919-1, 1997; EN ISO 13919-2, 2001). The weld must be produced such that each key performance indicator meets its defined allowable limits and any deviation from these limits is considered as a weld defect. The weld profile is important because the weld should have a desired profile for achieving the maximum strength. In this thesis, the weld profile is determined by penetration, top width, interface width (i.e. fusion zone dimensions). It must be pointed out that the presented fusion zone dimensions are difficult to measure directly during the welding process unless production is stopped which is nearly unfeasible as it is economically unjustified; whereas, it can be monitored by process signals (e.g. autistic, optical, thermal). Today, in-process monitoring is often provided by photodiodes or cameras. Owing to the lack of understanding of the process, it is limited to empirical correlations between the appearance of a weld defect and signal changes. The lack of methods linking (i) in-process monitoring data (e.g. visual sensing, acoustic and optical emissions); with, (ii) multi fusion zone dimensions (e.g. penetration, interface width, etc.), and (iii) welding process parameters (e.g. laser power, welding speed, focal point position) underscores the limitations of current data-driven in-process monitoring methods. Furthermore, the current in-process monitoring methods are indirect measurements of fusion zone dimensions. Therefore, an accurate model to perform non-destructive measurement of fusion zone dimension is essential for on-line monitoring of laser welding as a part of quality assurance. Based on this requirement, the occurring physics in the laser welding process are decoupled by sequential modelling. It consists of three steps as follows: (i) calculating the laser intensity acting on the material, (ii) calculating the keyhole profile in using an analytic method, and (iii) solving the heat equation using the FEM to calculate the temperature distribution. After obtaining the temperature distribution, the fusion zone profile is defined by selecting an isotherm. Then, the aforementioned fusion zone dimensions (i.e. Penetration, Top Width, Interface Width) are measured from the calculated fusion zone profile according to the industrial standard.
Benzer Tezler
- Çok amaçlı kremayer-pinyon mekanizmalarının kinematik sentez ve analizi
Kinematic synthesis and analysis of the rack and pinion multipurpose mechanism
AYLİN YENİLMEZ
- Model based diagnosis of the oxygen sensors
Oksijen algılayıcıların model tabanlı arıza teşhisi
KÜBRA EKİNCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞENİZ ERTUĞRUL
- Linearization of stochastic differential equations driven by levy processes
Levy süreçleriyle sürülmüş stokastik diferansiyel denklemlerin doğrusallaştırılması
İSMAİL İYİGÜNLER
- Analysis of fluid mechanic problems using a finite element method
Akışkanlar mekaniği problemlerinin sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi
AYŞE GÜL GÜNGÖR
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiHavacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- A study on upper atmospheric joule heating using observations and coupled models and a space weather consequence: Geomagnetically induced currents
Yukarı atmosfer joule ısınmasının gözlem ve uzay havası modelleri kullanarak kapsamlı incelenmesi ve bir uzay havası uygulaması: Jeomanyetik akımlar
EMİNE CEREN EYİGÜLER
Doktora
İngilizce
2018
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
