Friction Stir Welding of Copper Canisters Using Power and Temperature Control

Abstract

This thesis presents the development to reliably seal 50 mm thick copper canisters containing the Swedish nuclear waste using friction stir welding. To avoid defects and welding tool fractures, it is important to control the tool temperature within a process window of approximately 790 to 910°C. The welding procedure requires variable power input throughout the 45 minute long weld cycle to keep the tool temperature within its process window. This is due to variable thermal boundary conditions throughout the weld cycle. The tool rotation rate is the input parameter used to control the power input and tool temperature, since studies have shown that it is the most influential parameter, which makes sense since the product of tool rotation rate and spindle torque is power input.



In addition to the derived control method, the reliability of the welding procedure was optimized by other improvements. The weld cycle starts in the lid above the joint line between the lid and the canister to be able to abort a weld during the initial phase without rejecting the canister. The tool shoulder geometry was modified to a convex scroll design that has shown a self-stabilizing effect on the power input. The use of argon shielding gas reduced power input fluctuations i.e. process disturbances, and the tool probe was strengthened against fracture by adding surface treatment and reducing stress concentrations through geometry adjustments.



In the study, a clear relationship was shown between power input and tool temperature. This relationship can be used to more accurately control the process within the process window, not only for this application but for other applications where a slow responding tool temperature needs to be kept within a specified range. Similarly, the potential of the convex scroll shoulder geometry in force-controlled welding mode for use in applications with other metals and thicknesses is evident.



The variable thermal boundary conditions throughout the weld cycle, together with the risk of fast disturbances in the spindle torque, requires control of both the power input and the tool temperature to achieve a stable, robust and repeatable process. A cascade controller is used to efficiently suppress fast power input disturbances reducing their impact on the tool temperature. The controller is tuned using a recently presented method for robust PID control. Results show that the controller keeps the temperature within ±10°C of the desired value during the 360º long joint line sequence. Apart from the cascaded control structure, good process knowledge and control strategies adapted to different weld sequences i.e. different thermal boundary conditions have contributed to the successful results.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Svensk Kärnbränslehantering AB, SKB, har i uppdrag att ta hand om allt radioaktivt avfall från de svenska kärnkraftverken. En av förutsättningarna för att SKB ska få tillstånd att uppföra inkapslings- och slutförvars¬anläggningarna är att metod och teknik för att försluta kapslarna finns. De förslutna kapslarna ska uppfylla de krav på långsiktig säkerhet som SKB, myndigheterna och andra intressenter ställer.

Denna avhandling beskriver den process, friction stir welding (FSW), som utvecklats för förslutning av de cirka 6000 kapslar som behövs för det avfall som producerats och kommer att produceras vid de svenska kärnkraftverken. Kapseln har ett cirka femtio millimeter tjockt kopparhölje som består av tre komponenter; rör, lock och botten som svetsas samman till ett integrerat hölje. Forskningsarbetet med att utveckla svetsprocessen har bedrivits vid SKB:s Kapsellaboratorium i Oskarshamn. FSW som är en variant av friktionssvetsning uppfanns 1991 på The Welding Institute, och är en fasttillståndsprocess, det vill säga inte en smältsvetsmetod.

För att minimera defektbildning i svetsgodset och för att säkerställa att svetsverk-tyget inte går sönder, är det viktigt att verktygstemperaturen hålls inom ett inter-vall mellan cirka 790 och 910°C, att jämföra med kopparns smälttemperatur på 1080°C. För att uppnå detta krävs det att det roterande svetsverktyget genererar en varierande effekt under den 45 minuter långa svetscykeln eftersom de termiska förhållandena förändras beroende på uppvärmning och geometriska förutsättningar.

Utförda studier på kopparkapslarna visar att verktygets rotationshastighet är bäst lämpad för styrning av verktygstemperaturen. Detta är ett logiskt resultat med tanke på att den, av verktyget, genererade effekten ges av multiplikation mellan just rotationshastigheten och rotationsmotorns moment som fordras för att uppnå denna rotationshastighet. Genererad effekt har därför visat sig korrelera väl med verktygstemperaturen, vilket underlättar styrning av den. Genom att använda en så kallad kaskadregulator med två individuella PI-regulatorer (Proportionell-Integrerande), för effekt- och temperaturstyrning, kan man effektivt undertrycka momentstörningar som förekommer under svetscykeln. Dessa störningar syns nämligen betydligt tidigare i effektsignalen än i temperaturmätningarna. För att kunna hantera de varierande termiska förhållandena har kaskadregulatorns inställningar sedan anpassats beroende på skede i svetscykeln. Regleringen har möjliggjort repeterbara svetsar med verktygstemperaturer runt hela foglinjen inom ±10°C från börvärdet. Med andra ord, svetsar som med god marginal ligger innanför det tillåtna processfönstret på cirka ±60°C.

Avhandlingen redogör dessutom för en rad andra förbättringar av svetsprocessen i syfte att optimera dess tillförlitlighet. Istället för att starta svetscykeln vid foglinjen mellan lock och rör är starten placerad 75 mm ovanför foglinjen. Detta minskar riskerna för svetsdefekter vid foglinjen eftersom borrhålet är placerat så att det bearbetas bort efter svetsning samt att startsekvensen då verktygets frammatningshastighet accelereras upp vid relativt låg temperatur också innebär risk för defektbildning. Man har dessutom möjligheten att avbryta processen i tid ifall något skulle gå snett under det initiala skedet utan att behöva kassera lock och kapsel. Svetsverktygets skuldra har fått en ny, konvex, utformning som har visat sig ha en självstabiliserande inverkan på den genererade effekten. Tappen på svetsverktyget har i sin tur förstärkts mot eventuella brott genom ytbehandling och minskning av detaljer som leder till stresskoncentrationer. Vidare har användandet av argon, som skyddsgas runt verktyget, reducerat såväl momentstörningarna som oxidbildning.

• author: Cederqvist, Lars
• supervisor: Gunnar Bolmsjö
• opponent: Associate Professor Pfefferkorn, Frank, University of Wisconsin-Madison, USA
• organization: Innovation
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Production Engineering, Human Work Science and Ergonomics
• keywords: Friction stir welding, copper, temperature control, PID control
• defense location: Informatoriet, SKB:s Kapsellaboratorium, Gröndalsgatan 15, Oskarshamn, Sweden
• defense date: 2011-06-09 13:00:00
• ISBN: 978-91-7473-136-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c917307d-bf1a-4dc7-8226-da7e7a81b36b (old id 1961682)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:05:00
• date last changed: 2018-11-21 21:18:12