Detta arbete har genomförts vid Volvo Construction Equipment i Braås. I nuläget används konventionell spraybågssvetsning med metallpulverfylld rörtråd i produktionen. Ett alternativ som övervägs är att byta till solidtråd. Huvudsyftet med detta arbete har varit att utreda huruvida några utvalda processer med 1.2 mm solidtråd är kapabla att producera ensträngs kälsvetsar som uppfyller av Volvo CE ställda krav: - Minst 3 mm i-mått. - Teoretiskt a-mått mellan 4 och 5.5 mm. - Svetsklass VD enligt Volvo standard STD 181-0004. - Kompatibel med fogföljning via ljusbåge. - Ingen spalt mellan plåtarna tillåten. Arbetet inleddes med en litteraturstudie för att framförallt beskriva svetsparametrars inverkan på svetsens inträngningsprofil och geometri.  Ett stort antal svetsförsök utfördes med konventionell spraybåge samt de vågformsstyrda processerna Fronius PMC och Lincoln Electrics RapidArc. Försöken genomfördes i PA och i PB läge. I PB läget orienterades förbandet dels med gränsytan mellan plåtarna horisontellt och dels vertikalt. Flertalet av försöken genomfördes med svetstraktor. Kompletterande försök genomfördes med svetsrobot. Inträngning och kvalité bedömdes framförallt genom makroprov och syning, men också genom lasermätning. Vid inledande faktorförsök med RapidArc, PMC och konventionell spraybågsprocess användes trådmatningshastighet 13 och 15 m/min i kombination med svetshastighet 55 och 65 cm/min. Försöken visade att i PB läge med horisontell gränsyta kan 3 mm i-mått uppnås med trådmatningshastigheten 13 m/min och svetshastigheten 55 cm/min. Under avslutande svetsförsök med PMC i PB läge med gränsytan vertikalt vid 60 cm/min svetshastighet, pendling och 14.5-15.5 m/min trådmatningshastighet erhölls i-mått avsevärt överstigande 3 mm. Vid svetsförsök i PB läge med solidtråd uppnåddes kraven på 3 mm i-mått och mjuka fattningskanter med ökad svetshastighet jämfört med ett typiskt produktionsfall. I PA läge erhölls mindre skillnad gentemot ett produktionsfall. Genom ytterligare optimering av svetsprocesserna är det dock inte orimligt att svetshastigheterna kan ökas utan försämrade i-mått och fattningskanter. Möjlig kostnadsreducering för tillsatsmaterialet vid övergång till solidtråd är 30-50% beroende på att solidtråden är billigare än metallpulverfylld rörtråd. Ytterligare kostnadsreducering kan erhållas genom förbrukning av mindre mängd tillsatsmaterial. Vid genomförde svetsförsök har mindre mängd tillsatsmaterial tillförts jämfört med typiska produktionsfall.  Både den konventionella spraybågsprocessen och de vågformsstyrda processerna är kapabla att producera de eftersträvade svetsarna med solidtråd. Här måste dock ett ”varnade finger” höjas; vid svetsningen krävs god kontroll av elektrodvinklarna och elektrodens position relativt fogens rot, annars erhålls betydligt sämre resultat. / This thesis has been performed at Volvo Construction Equipment in Braås. Currently, conventional MAG spray transfer with metal cored wire is used in the production. The company is now considering switching from metal cored wire to solid wire. The main purpose of this thesis has been to investigate whether a few selected processes used with 1.2 mm solid wire are capable of producing single pass fillet welds that conform to the following requirements set by Volvo CE: - Minimum i-dimension 3 mm. - Theoretical throat thickness between 4 and 5.5 mm. - Weld class VD according to Volvo standard STD 181-0004. - Compatible with Through Arc Seam Tracking. - No gap between the plates is allowed. A literature study was performed primarily in order to describe the influence of weld parameters on the weld and penetration profile. A large number of weld trials were performed with conventional spray transfer and the two waveform controlled processes Fronius PMC and Lincoln Electrics RapidArc. The weld trials were performed in the weld positions PA and PB. For PB the joint root was orientated both horizontally and vertically. For the majority of trials a weld tractor was used. Complementary trials were performed by a robot. Weld testing consisted primarily of macro etch testing and visual inspection but also laser scanning. The initial trials with RapidArc, PMC and conventional spray transfer were performed with the wire feed speeds 13 and 15 m/min in combination with the travel speeds 55 and 65 cm/min. The trials showed that when using weld position PB with a horizontal joint root, 3 mm i-dimension can be achieved by using wire feed speed 13 m/min and travel speed 55 cm/min. Final trials with PMC were performed in weld position PB with a vertical joint root using wire feed speeds 14.5-15.5 m/min, a travel speed of 60 cm/min and weaving resulting in i-dimensions much greater than 3 mm being achieved. Using solid wire in weld position PB, welds with 3 mm i-dimension and good wetting of the toes were produced with increased travel speed compared to a typical production case. However, in weld position PA less difference was obtained compared to a typical production case. By further optimizing the weld processes it is not unlikely that the travel speeds can be increased while maintaining the i-dimension and good wetting of the toes. A possible cost reduction for the filler material is 30-50% because solid wire is cheaper than metal cored wire. Using less filler material will result in additional cost reductions. During performed weld trials less filler material was used compared to current production scenarios. Both the conventional spray transfer process and the waveform controlled processes are capable of producing the desired welds with solid wire. However, a cautionary tale must be told: when welding, good control of the electrode angles and position relative to the joint root is needed otherwise much worse results will be obtained.

Additive Manufacturing (AM) is an innovative manufacturing process which offers near-net shape fabrication of complex components, directly from CAD models, without dies or substantial machining, resulting in a reduction in lead-time, waste, and cost. For example, the buy-to-fly ratio for a titanium component machined from forged billet is typically 10-20:1 compared to 5-7:1 when manufactured by AM. However, the production rates for most AM processes are relatively slow and AM is consequently largely of interest to the aerospace, automotive and biomedical industries. In addition, the solidification conditions in AM with the Ti alloy commonly lead to undesirable coarse columnar primary β grain structures in components. The present research is focused on developing a fundamental understanding of the influence of the processing conditions on microstructure and texture evolution and their resulting effect on the mechanical properties during additive manufacturing with a Ti6Al4V alloy, using three different techniques, namely; 1) Selective laser melting (SLM) process, 2) Electron beam selective melting (EBSM) process and, 3) Wire arc additive manufacturing (WAAM) process. The most important finding in this work was that all the AM processes produced columnar β-grain structures which grow by epitaxial re-growth up through each melted layer. By thermal modelling using TS4D (Thermal Simulation in 4 Dimensions), it has been shown that the melt pool size increased and the cooling rate decreased from SLM to EBSM and to the WAAM process. The prior β grain size also increased with melt pool size from a finer size in the SLM to a moderate size in EBSM and to huge grains in WAAM that can be seen by eye. However, despite the large difference in power density between the processes, they all had similar G/R (thermal gradient/growth rate) ratios, which were predicted to lie in the columnar growth region in the solidification diagram. The EBSM process showed a pronounced local heterogeneity in the microstructure in local transition areas, when there was a change in geometry; for e.g. change in wall thickness, thin to thick capping section, cross-over’s, V-transitions, etc. By reconstruction of the high temperature β microstructure, it has been shown that all the AM platforms showed primary columnar β grains with a <001>β.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Energiebilanz von der Schweißenergiequelle bis zur Schmelzebildung im Bauteil eingehend analysiert. Hierfür wurden geeignete Messsysteme auf Basis der Kalorimetrie entwickelt und validiert. Neben dem Energieverbrauch der Anlage wird der Wärmeeintrag in das Bauteil kalorimetrisch analysiert. Zur umfassenden Analyse des Energieflusses werden zudem die Verlustgrößen, wie die Wärmeleitung, Wärmestrahlung und der Wärmedurchgang des Lichtbogens als auch der externe Brennerkühlkreislauf der Schweißenergiequelle untersucht. Neueste Untersuchungsmethoden ermöglichen zudem die Tropfentemperatur und die Lichtbogenleistung zu bestimmen. In Abhängigkeit definiert gewählter Prozessparameter wurde der Energiefluss für Schutzgasschweißverfahren mit abschmelzender und nicht abschmelzender Elektrode, sowie für das Unterpulverschweißen erstellt. Die einzelnen Wirkmechanismen der Prozesse wurden analysiert und bewertet sowie Zusammenhänge herausgestellt. Neben der Empfehlung für die Überarbeitung gültiger Normen, wie DIN EN 1011-1 kann mit der Kenntnis das Fügen temperatursensibler Werkstoffe verbessert werden. Gleichzeitig wird die Genauigkeit von Prozess- und Werkstoffsimulationen erhöht und Berechnung von Bauteildeformationen vereinfacht. Es wurden mittlere Tropfentemperaturen in einem Bereich zwischen TTr = 2.350…2.700°C ermittelt. Die Untersuchungen zeigen zudem, dass eine ausschließlich gezielte Änderung der Tropfentemperatur im Schweißprozess nicht möglich ist. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass der Lichtbogen und dessen Intensität den entscheidenden Einfluss auf die Entstehung des Einbandes in den Grundwerkstoff besitzt. / Welding performance is not the same as the energy input in the component. The efficiency is the ratio of usable to required energy. The aim of any process is to achieve a high efficiency, and thus to keep the share of losses as small as possible. Recent process developments in arc welding with consumable electrode have the aim to regulate the energy input in the component to achieve the target of an optimum welding result. This is based on a fundamental understanding of the operations during the welding process. For this purpose, the knowledge of the individual operations of the energy transport from the electrode contact to the heating behaviour of the component is necessary. Different measurement methods and results for the separate determination of the energy content of droplet and welding arc as well as energy input into the component are presented. For instance the question is analysed and discussed - whether the arc, or the overheated droplet is responsible for the weld penetration? In addition, the situation between relative and absolute efficiency of the welding process is discussed. In welding standards often global efficiencies for different welding processes are indicated. These standards provide this efficiency in relation to the as 100 % set submerged arc welding. This leads to errors in the use of the values for calculations or simulations. With the methods presented a sophisticated analysis of the influence of different parameter settings of the shielding gas welding process on the energy efficiency is possible.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Energiebilanz von der Schweißenergiequelle bis zur Schmelzebildung im Bauteil eingehend analysiert. Hierfür wurden geeignete Messsysteme auf Basis der Kalorimetrie entwickelt und validiert. Neben dem Energieverbrauch der Anlage wird der Wärmeeintrag in das Bauteil kalorimetrisch analysiert. Zur umfassenden Analyse des Energieflusses werden zudem die Verlustgrößen, wie die Wärmeleitung, Wärmestrahlung und der Wärmedurchgang des Lichtbogens als auch der externe Brennerkühlkreislauf der Schweißenergiequelle untersucht. Neueste Untersuchungsmethoden ermöglichen zudem die Tropfentemperatur und die Lichtbogenleistung zu bestimmen. In Abhängigkeit definiert gewählter Prozessparameter wurde der Energiefluss für Schutzgasschweißverfahren mit abschmelzender und nicht abschmelzender Elektrode, sowie für das Unterpulverschweißen erstellt. Die einzelnen Wirkmechanismen der Prozesse wurden analysiert und bewertet sowie Zusammenhänge herausgestellt. Neben der Empfehlung für die Überarbeitung gültiger Normen, wie DIN EN 1011-1 kann mit der Kenntnis das Fügen temperatursensibler Werkstoffe verbessert werden. Gleichzeitig wird die Genauigkeit von Prozess- und Werkstoffsimulationen erhöht und Berechnung von Bauteildeformationen vereinfacht. Es wurden mittlere Tropfentemperaturen in einem Bereich zwischen TTr = 2.350…2.700°C ermittelt. Die Untersuchungen zeigen zudem, dass eine ausschließlich gezielte Änderung der Tropfentemperatur im Schweißprozess nicht möglich ist. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass der Lichtbogen und dessen Intensität den entscheidenden Einfluss auf die Entstehung des Einbandes in den Grundwerkstoff besitzt. / Welding performance is not the same as the energy input in the component. The efficiency is the ratio of usable to required energy. The aim of any process is to achieve a high efficiency, and thus to keep the share of losses as small as possible. Recent process developments in arc welding with consumable electrode have the aim to regulate the energy input in the component to achieve the target of an optimum welding result. This is based on a fundamental understanding of the operations during the welding process. For this purpose, the knowledge of the individual operations of the energy transport from the electrode contact to the heating behaviour of the component is necessary. Different measurement methods and results for the separate determination of the energy content of droplet and welding arc as well as energy input into the component are presented. For instance the question is analysed and discussed - whether the arc, or the overheated droplet is responsible for the weld penetration? In addition, the situation between relative and absolute efficiency of the welding process is discussed. In welding standards often global efficiencies for different welding processes are indicated. These standards provide this efficiency in relation to the as 100 % set submerged arc welding. This leads to errors in the use of the values for calculations or simulations. With the methods presented a sophisticated analysis of the influence of different parameter settings of the shielding gas welding process on the energy efficiency is possible.