Hitsauskoneen kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen

Teollisuuden kasvavien laatuvaatimusten johdosta valmistava teollisuus joutuu tiukentamaan laatuvaatimuksiaan täyttääkseen asiakasvaatimukset. Laatujärjestelmät asettavat valmistajille erilaisia vaatimuksia, kuten valmistuksessa käytettävien laitteistojen huoltodokumentaatioiden tuottaminen. Standardi SFS-EN ISO 3834-2 Metallien sulahitsauksen laatuvaatimukset: Kattavat laatuvaatimukset tuo edellä mainitut vaatimukset myös hitsaustuotantoon. Ennakoivaa kunnossapitoa käytetään monilla teollisuuden aloilla, koska tuotannon yllättävät keskeytymiset halutaan ennaltaehkäistä. Käsinhitsaukseen ei ole ollut toistaiseksi työkaluja, jotka mahdollistaisivat ennakoivan kunnossapidon hitsauskoneille. Kemppi Oy kehittää hitsauksen monitorointiratkaisua, jonka yhtenä päämääränä on kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen hitsauslaitteistolle. Järjestelmä ottaa huomioon myös laatujärjestelmien asettamat vaatimukset hitsauskoneiden huoltodokumentaation tuottamisesta. Diplomityön tavoitteena oli tehdä vaatimusmäärittely hitsauskoneiden kunnonvalvontajärjestelmälle. Tässä diplomityössä perehdyttiin kunnossapidon ja vikaantumisen lajeihin, laatujärjestelmiin sekä hitsauslaitteistoon. Tutkimuksessa syvennyttiin hitsauskoneiden kunnossapidon ja vikaantumistapauksien kautta suunnitteilla olevan järjestelmän tarpeisiin. Haastatteluiden avulla kartoitettiin hitsauslaitteiden kunnonvalvontajärjestelmältä vaadittavia piirteitä, järjestelmälle asetettavia vaatimuksia sekä järjestelmän monitorointikohteita. Tutkimuksen pohjalta laadittuun vaatimusmäärittelyyn saatiin muodostettua toiminnalliset vaatimukset, joista muodostetaan tuotekehityksen aikana tuotteen ominaisuudet. Lisäksi vaatimusmäärittelyyn luotiin käyttäjäryhmät, käyttötapaukset sekä alustavat monitorointikohteet. Vaatimusten täyttämiseksi kunnonvalvontajärjestelmään on suunnitteilla myös laitetietokanta, johon sisällytetään hitsauslaitteille suoritettujen huoltojen ja validointien tiedot. Varsinaisen tuotekehitystyön alkaessa nyt laadittua vaatimusmäärittelyä tullaan käyttämään suuntaviivojen näyttäjänä projektissa.

The laser weldability of lean duplex stainless steels

Ruostumattomien terästen hinta on kasvanut maailman laajuisen kysynnän kasvun seurauksena. Samoin on käynyt myös ruostumattomien terästen valmistukseen käytettävien seosaineiden hinnalle. Terästen valmistajat ovatkin kehittäneet lean duplex teräksiä vastatakseen hintatietoisten markkinoiden kysyntään. Näissä lean duplex teräksissä kalliita seosaineita kuten nikkeliä ja molybdeenia on korvattu typellä ja mangaanilla. Houkutteleviksi vaihtoehdoiksi perinteisille ruostumattomille teräksille lean duplex laadut tekee myös niiden hyvät lujuus- ja korroosio-ominaisuudet. Kirjallisuus osio esittelee lasereiden toimintaperiaatteen. Myös avaimenreikähitsauksen periaate on esitetty. Ruostumattomien terästen yleisimmät seosaineet ovat esitelty, kuten myös syy niiden seostamiseen. Ruostumattomat duplex-teräkset on esitelty samoin kuin lean duplex teräkset. Kokeellisen osion koehitsit hitsattiin osin samalla tuotantolinjalla lopputuotteen kanssa ja osin laboratoriossa. Koemateriaaleina olivat lean duplex teräkset 1.4162 ja 1.4362 joiden materiaalipaksuudet olivat 1.2 mm ja 1.5 mm. Hitsatuille lamelleille tehtiin painetestaus. Makroskopiaa ja valomikroskopiaa käytettiin koehitsien arvioinnissa kuten myös ristivetokoetta. Kiinnostavimmista hitseistä määritettiin myös faasisuhde. Lean duplex teräs 1.4362 havaittiin sopivammaksi laaduksi tämän kaltaisessa sovelluksessa, mutta myös laatu 1.4162 täyttää sovelluksen hitsille asetetut vaatimukset, tosin huomattavasti pienemmässä parametri ikkunassa. Valittu menetelmä faasisuhteen määrittämiseen osoittautui epätarkaksi, joten faasisuhteen osalta tämän tutkimuksen tulokset ovat vain suuntaa-antavia.

Hitsausvirtalähteen ohjaus lämmöntuonnin ja jatkuvan jäähtymisen S-käyrän perusteella

Lämmöntuonnilla on oleellinen vaikutus hitsausliitoksen ominaisuuksiin, koska se vaikuttaa liitoksen jäähtymisnopeuteen, jolla on puolestaan suuri vaikutus jäähtymisessä syntyviin mikrorakenteisiin. Jatkuvan jäähtymisen S-käyrältä voidaan ennustaa hitsausliitokseen syntyvät mikrorakenteet. S-käyrät voidaan laatia hitsausolosuhteiden mukaisesti, jolloin faasimuutoskäyttäytyminen sularajalla saadaan selvitettyä. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää hitsausvirtalähteen ohjaustapaa lämmöntuontiin ja jatkuvan jäähtymisen S-käyriin perustuen. Jatkuvan jäähtymisen S-käyrillä ja lämmöntuontiin perustuvalla hitsausparametrien säädöllä on yhteys. Työssä tutkittiin, miten haluttuun jäähtymisnopeuteen johtava lämmöntuonti voidaan määrittää S-käyrälle luotettavasti. Työssä perehdyttiin jatkuvan jäähtymisen S-käyriin ja eri jäähtymisnopeuksilla hitsausliitokseen syntyviin mikrorakenteisiin sekä hitsaus-inverttereiden ohjaus- ja säätötekniikkaan. Teoriaosuuden jälkeen tarkasteltiin eri vaihtoehtoja, miten hitsattavan materiaalin koostumusvaihtelut sekä lämmöntuontiin vaikuttavat tekijät voidaan ottaa huomioon virtalähteen ohjauksessa lämmöntuonnin perusteella. S-käyrältä määritettyjen lämmöntuonnin arvojen perusteella tehtiin kahdet koehitsaukset, joissa käytettiin kolmea eri aineenpaksuutta. Tulosten perusteella arvioitiin lämmöntuonnin arvojen toimivuutta käytännössä ja tutkittiin liitokseen syntyviä mikrorakenteita. Tutkimuksen pohjalta esitettiin jatkokehitystoimenpiteitä, joiden mukaan voidaan edetä lämmöntuontiin perustuvan säätöjärjestelmän kehitysprojektissa.

Hitsaustuotannon kehittäminen verkostoyrityksessä

Tässä diplomityössä tarkasteltiin Total Welding Management -menetelmän soveltamista verkostoituneeseen toimintaan. TWM on menetelmä hitsaustuotannon kehittämiseen ja se on tarkoitettu käytettäväksi tilanteessa, jossa yksi yritys vastaa sekä suunnittelusta että hitsauksesta. Verkostoituneessa hitsaustuotannossa tuotteen suunnittelu ja hitsaus eivät välttämättä ole kokonaan saman yrityksen vastuulla. Se tuo oman haasteensa TWM:n implementointiin. Työssä käytiin läpi verkostojen ja TWM:n teoriaa, sekä pohdittiin mahdollisia ongelmia TWM:n soveltamisessa verkostoihin. Käytännön osuudessa TWM:n avulla kehitettiin esimerkkituotteen, jonka suunnittelusta ja hitsauksesta vastaa kaksi eri yritystä, hitsaustuotantoa. Suunnitelluilla kehitystoimenpiteillä arvioitiin olevan mahdollista lyhentää tuotteen valmistusaikaa 11,9 %. Lisäksi todettiin, että TWM soveltuu käytettäväksi myös verkostoissa, vaikkakin se tuo mukanaan lisähaasteita.

Hitsaus- ja liimausmenetelmien mahdollisuudet puumuovikomposiittien liittämisessä

Diplomityössä tutkittiin puumuovikomposiittien liitettävyyttä hitsaamalla ja liimaamalla. Työn kirjallisessa osuudessa tutustuttiin aiheeseen liittyviin tutkimuksiin, jotta saatiin käsitys miten liittäminen voisi onnistua. Työn empiirisessä osuudessa tehtiin liitoskokeita valituilla materiaaleilla eri menetelmillä. Liitoksia tutkittiin sekä rikkovilla, että rikkomattomilla aineenkoestusmenetelmillä. Valitut materiaalit poikkesivat koostumuksellaan hieman toisistaan, joten tuloksista pystyttiin päättelemään, mitkä ominaisuudet vaikuttavat milläkin tavalla liitettävyyteen. Johtopäätöksinä tässä tutkimuksessa voidaan todeta, että komposiitit ovat sekä hitsattavissa, että liimattavissa, mutta materiaalin koostumus vaikuttaa merkittävästi siihen, millä tavoin kappaleet liittyvät toisiinsa. Pääasiassa kaikki materiaalit liittyivät kohtuullisella tavalla. Oikeanlaisten liittämisarvojen määrittäminen reseptikohtaisesti vaatii tarkempia tutkimuksia.

Kaarihitsauksen suojakaasun tunnistus ja virtauksen mittaus ultraäänellä

Kaasukaarihitsauksessa suojakaasuna käytetään yleensä argonin ja hiilidioksidin tai argonin ja heliumin seoksia. Suojakaasu vaikuttaa useisiin hitsausominaisuuksiin, jotka puolestaan vaikuttavat hitsauksen laatuun ja tuottavuuteen. Automaattisella suojakaasun tunnistuksella ja virtausmäärän mittauksella voitaisiin tehdä hitsauksesta paitsi käyttäjän kannalta yksinkertaisempaa, myös laadukkaampaa. Työn tavoite on löytää mahdollisimman edullinen ja kuitenkin mahdollisimman tarkasti kaasuseoksia tunnistava menetelmä, jota voitaisiin hyödyntää MIG/MAG-hitsauskoneeseen sisäänrakennettuna. Selvä etu on, jos menetelmällä voidaan mitata myös kaasun virtausmäärä. Äänennopeus kaasumaisessa väliaineessa on aineen atomi- ja molekyylirakenteesta ja lämpötilasta riippuva ominaisuus, joka voidaan mitata melko edullisesti. Äänennopeuden määritys perustuu ääniaallon kulkuajan mittaamiseen tunnetun pituisella matkalla. Kaasun virtausnopeus on laskettavissa myötä- ja vastavirtaan mitattujen kulkuaikojen erotuksen avulla. Rakennettu mittauslaitteisto koostuu kahdesta ultraäänimuuntimesta, joiden halkaisija on 10 mm ja jotka toimivat sekä lähettimenä että vastaanottimena. Muuntimet ovat 140 mm:n etäisyydellä toisistaan virtauskanavassa, jossa suojakaasu virtaa yhdensuuntaisesti äänen kanssa. Virtauskanava on putki, jossa on käytetty elastisia materiaaleja, jotta ääniaaltojen eteneminen kanavan runkoa pitkin minimoituisi. Kehitetty algoritmi etsii kahden lähetetyn 40 kHz:n taajuisen kanttiaaltopulssin aiheuttaman vasteen perusteella ääniaallon saapumisajanhetken. Useiden mittausten, tulosten lajittelun ja suodatuksen jälkeen tuntemattomalle kaasulle lasketaan lämpötilakompensoitu vertailuluku. Tuntematon kaasu tunnistetaan vertailemalla lukua tunnettujen kaasuseosten mitattuihin vertailulukuihin. Laitteisto tunnistaa seokset, joissa heliumin osuus argonissa on enintään 50 %. Hiilidioksidia sisältävät argonin seokset puolestaan tunnistetaan puhtaaseen hiilidioksidiin asti jopa kahden prosenttiyksikön tarkkuudella. Kaasun tilavuusvirtausmittauksen tarkkuus on noin 1,0 l/min.

Hitsauksen mekanisoinnin ja automatisoinnin oppimisympäristön kehittäminen

Hitsaavan teollisuuden kilpailukyvyn tehostamiseksi yksi keino on hitsauksen mekanisoinnin ja automatisoinnin osuuden lisääminen hitsaustuotannossa. Työn on tehty Etelä-Karjalan aikuisopiston toimeksiannosta hitsauksen mekanisoinnin ja automatisoinnin oppimisympäristön kehittämiseksi paikallisten hitsaavien yritysten koulutustarpeiden mukaisesti. Työ toteutettiin sekä kirjallisuustutkimuksena että haastattelututkimuksena Etelä-Karjalan alueen hitsaavan teollisuuden yrityksissä. Kirjallisuusosiossa on läpikäyty hitsauksen mekanisointia, kappaleenkäsittelyä, orbitaalihitsausta sekä robottihitsausta. Kirjallisen käsittelyn pohjana oli kansainvälisen mekanisoidun-, orbitaali- ja robottihitsauksen henkilöstön operaattorikoulutusohjelma. Operaattorikoulutusohjelmassa koulutuslinjat jaetaan mekanisoituun hitsaukseen, orbitaalihitsaukseen ja robottihitsaukseen. Käytännön osiossa on analysoitu kohdeyrityksille tehdyt haastattelut, määritelty kohdeyritysten hitsauksen automaatiotasot sekä hitsaustyössä käytössä oleva laitekanta. Tutkimuksen tuloksia tullaan käyttämään hyödyksi kehitettäessä Etelä-Karjalan aikuisopiston (AKTIVA) oppimisympäristöä etelä-karjalaisten hitsaavien yritysten tarpeiden mukaisesti.

Laadunhallinta uuden tuotteen tuotekehityksessä

Tämän diplomityön tavoitteena on uuden tuotteen laatusuunnittelun parantaminen Mantsi-nen Group Ltd Oy:n materiaalinkäsittelykoneiden ja -laitteiden tuotekehitysprosessissa, lopputuotteen valmistettavuuden ja laadun varmistamiseksi. Kirjallisuusosiossa on tutki-muksen kohteena tuotekehitysprosessi ja sen yhteydessä käytettävät soveltuvat laatutyöka-lut. Lisäksi työssä tutkitaan ja selvitetään ympäristö-, laadunhallinta- ja hitsausstandardien vaatimuksia tuotekehityksen yhteydessä. Tutkimusosiossa laatutyökaluja sovelletaan ja testataan aktiivisten tuotekehitysprojektin yhteydessä sekä niiden vaikuttavuutta arvioidaan laadun ja läpimenoajan parantamiseen. Ympäristöön, laadunhallintaan ja hitsaukseen liit-tyvien standardivaatimuksien täyttäminen tuotekehitysprosessissa tarkastetaan ja arvioi-daan uudelleen sekä tehdään tarvittavia lisäyksiä ja tarkennuksia. Tutkimuksen tuloksena on parannettu tuotekehitysprosessi, jossa hyödynnetään soveltuvia laatutyökaluja oikea-aikaisesti eri vaiheissa.

Feasibility study of metal to polymer hybrid joining

The increasing demand for lightweight components has led to a huge exploitation of non-metallic materials such as polymers, fibers and elastomers in industrial and manufacturing processes. Recent trends towards cost effectiveness, weight reduction and production flexibility in industrial production and manufacturing processes has led to a growing interest in hybrid components where two or more dissimilar materials coexist to achieving specifically optimized characteristics. The importance of this research is to serve as a bridge to understanding the theories behind various joining techniques and the adaptation of the process for metal to polymer hybrid joints. Moreso, it helps companies to select the most productive and yet economical joining process for realization of lightweight metal to polymer hybrid components. This thesis is a literature review analyzing various materials that has been published on various joining methods for metal to polymer hybrid joints on the feasibility and eventual realization of the joint between these dissimilar materials. This study is aimed at theoretically evaluating the feasibility of joining processes between metal and plastic components by exploiting exhaustively joining and welding sources.

Laatu ja tuottavuus hitsaavassa verkostossa

Diplomityössä tarkastellaan laadun ja tuottavuuden parantamisen keinoja hitsaavassa verkostossa MIG/MAG-hitsauksen osalta. Työn taustalla vaikuttaa Total Welding Management -menetelmä, mikä on hitsaustoimintojen kokonaisvaltaiseen johtamiseen ja hallintaan kehitetty toimintamalli. Työn teoriaosassa käsitellään laatuajattelua ja yritysyhteistyötä hitsaavan teollisuuden yrityskentässä sekä hitsauskustannuksiin vaikuttavia tekijöitä. Tutkimusosuus sisältää yritysverkoston nykytilan tarkastelun sekä kehitystoimenpiteitä kohti verkoston yhteistä toimintamallia saavuttaa tehokas ja kannattava yhteistyö. Hitsaustyön kustannukset määritetään suurelta osin suunnittelussa. Laatuun voidaan vaikuttaa merkittävästi hitsaustyötä edeltävissä toiminnoissa sekä hitsaajan työn tukemisella. Kokonaisvaltaisen hyödyn saavuttaminen hitsaustyön tuottavuuden parantamisessa vaatii kaikkien toimintojen tarkastelua sen sijaan, että tehostetaan vain hitsaamon toimintaa. Itse hitsaus voi olla vain pieni osa hitsaustoimintojen kokonaishallintaa. Toimintamallin luominen laadunvarmistukseen, suunnittelun ja valmistuksen yhteistyöhön sekä hitsaustoimintojen hallintaan mahdollistaa hitsaavan verkoston toiminnan tehostamisen sekä laadun paranemisen. Tämä saavutetaan viemällä toimintamalli osaksi jokapäiväistä työtä, lähelle valmistusta, ja ohjeistamalla, että jokainen tietää kuinka toimia. Esimerkiksi työssä tarkastellun yhden tuotteen osalta ohjeistus turhan työn vähentämiseksi tuotti 19 % tuotannon kasvun työvuoron aikana. Tilaus-toimitusketjun tuottavuuteen ja kannattavuuteen voidaan vaikuttaa merkittävästi käymällä läpi konkreettisesti valmistettavat tuotteet ja niihin liittyvät toiminnot. Diplomityössä tehtyjen tarkastelujen ja havaintojen avulla käytännön työ tulee jatkumaan yritysverkostossa tapahtuvassa kehitystyössä.

Kapearailotekniikan käyttö jauhekaarihitsauksessa

Diplomityössä tavoitteena oli tutkia kapearailojauhekaaritekniikan soveltuvuutta konepajakäyttöön ja sen vaikutusta hitsauksen tuottavuuteen sekä hitsin mekaanisiin ominaisuuksiin. Työ tehtiin vertailukokeilla, jossa koehitsaukset suoritettiin eri aineenpaksuuksille siten, että jokaiselle tutkimuksen kohteena olleelle materiaalille tehtiin yksi hitsaus käytössä olevalla jauhekaaritekniikalla, jolloin saatiin vertailukohde, johon uutta kapearailotekniikkaa verrattiin. Tulokset osoittivat, että kapearailotekniikalla 1 palko/palkokerros aineenpaksuudeltaan Pl. 60 mm koekappale saatiin hitsattua n. 39 % nopeammin verrattuna perinteiseen tandem -hitsaukseen. Kyseisellä aineenpaksuudella lisäainelangan kulutus oli n. 41 % ja jauheen kulutus n. 71 % pienempi verrattuna perinteiseen X- railohitsaukseen tandem -menetelmällä. Lisäksi tuli esille, että ”palkoa palonpäälle” -tekniikka on kapearailotekniikoista tehokkain, sillä 2 palkoa/palkokerros menetelmässä railon leveyttä jouduttiin leventämään, jolloin kapearailotekniikan pieni railotilavuus menetettiin. Lisäaineen kulutus tälläkin menetelmällä jäi pienemmäksi verrattuna X- railohitsaukseen. Ennalta pelättyä kuonan irtoamisongelmaa ei kapearailohitsauksessa havaittu, vaan kuona irtosi ongelmitta railon kyljistä. Lisäksi kapearailotekniikalla hitsattujen hitsien lujuudet olivat vertailukelpoiset tandem- ja yksilankamenetelmällä hitsattujen hitsien kanssa.

Modern Metallic Materials for Arctic Environment

This thesis is part of the Arctic Materials Technologies Development –project, which aims to research and develop manufacturing techniques, especially welding, for Arctic areas. The main target of this paper is to clarify what kind of European metallic materials are used, or can be used, in Arctic. These materials include mainly carbon steels but also stainless steels and aluminium and its alloys. Standardized materials, their properties and also some recent developments are being introduced. Based on this thesis it can be said that carbon steels (shipbuilding and pipeline steels) have been developed based on needs of industry and steels exist, which can be used in Arctic areas. Still, these steels cannot be fully benefited, because rules and standards are under development. Also understanding of fracture behavior of new ultra high strength steels is not yet good enough, which means that research methods (destructive and non-destructive methods) need to be developed too. The most of new nickel-free austenitic and austenitic-ferritic stainless steels can be used in cold environment. Ferritic and martensitic stainless steels are being developed for better weldability and these steels are mainly developed in nuclear industry. Aluminium alloys are well suitable for subzero environment and these days high strength aluminium alloys are available also as thick sheets. Nanotechnology makes it possible to manufacture steels, stainless steels and aluminium alloys with even higher strength. Joining techniques needs to be developed and examined properly to achieve economical and safe way to join these modern alloys.

Jännityssuhteen vaikutus ultralujan teräksen hitsausliitoksen väsymislujuuteen

Aiempien ultralujia teräksiä koskevien tutkimusten jatkoksi tässä diplomityössä keskityttiin jännityssuhteen varioinnin tuomien ilmiöiden esille tuomiseen koesauvojen väsytyskoestuk-sessa. Pohjana diplomityölle ovat mm. Timo Björkin tutkimustulokset ULTRASTEEL-hankkeesta sekä Tuomas Skrikon kandidaatintyöhönsä koostamat väsytyskoetulokset. Testattujen 12 koesauvan väsytyskoetulosten perusteella jännityssuhteen kasvattaminen alen-taa hitsattujen ultralujien teräsrakenteiden FAT-luokitusta. FAT-luokkien ja jännityssuhteen välillä on havaittu säännönmukaisuutta ja huomattavaa FAT-luokituksen lasku on jännitys-suhteen 0.35 jälkeen. Jälkikäsiteltyjen koesauvojen FAT-luokat ovat jälkikäsittelemättömiä parempia. Myös käsit-telemättömillä sauvoilla päästään mekanisoidussa MAG-hitsauksessa keskimääräisen kone-pajalaadun FAT = 100 MPa yläpuolelle.