Weldability of high strength aluminium alloys

The need for reduced intrinsic weight of structures and vehicles in the transportation industry has made aluminium research of interest. Aluminium has properties that are favourable for structural engineering, including good strength-to-weight ratio, corrosion resistance and machinability. It can be easily recycled saving energy used in smelting as compared to steel. Its alloys can have ultimate tensile strength of up to 750 MPa, which is comparable to steel. Aluminium alloys are generally weldable, however welding of high strength alloys like the 7xxx series pose considerable challenges. This paper presents research on the weldability of high strength aluminium alloys, principally the 7xxx series. The weldability with various weld processes including MIG, TIG, and FSW, is discussed in addition to consideration of joint types, weld defects and recommendations for minimizing or preventing weld defects. Experimental research was carried out on 7025-T6 and AW-7020 alloys. Samples were welded, and weld cross sections utilized in weld metallurgy studies. Mechanical tests were carried out including hardness tests and tensile tests. In addition, testing was done for the presence of Al2O3 on exposed aluminium alloy. It was observed that at constant weld heat input using a pulsed MIG system, the welding speed had little or no effect on the weld hardness. However, the grain size increased as the filler wire feed rate, welding current and welding speed increased. High heat input resulted in lower hardness of the weld profile. Weld preheating was detrimental to AW- 7020 welds; however, artificial aging was beneficial. Acceptable welds were attained with pulsed MIG without the removal of the Al2O3 layer prior to welding. The Al2O3 oxide layer was found to have different compositions in different aluminium alloys. These findings contribute useful additional information to the knowledge base of aluminium welding. The application of the findings of this study in welding will help reduce weld cost and improve high strength aluminium structure productivity by removing the need for pre-weld cleaning. Better understanding of aluminium weld metallurgy equips weld engineers with information for better aluminium weld design.

Effects of Fabrication Processes on the Behavior of S960 Ultra High Strength Steel (UHSS)

Strenx® 960 MC is a direct quenched type of Ultra High Strength Steel (UHSS) with low carbon content. Although this material combines high strength and good ductility, it is highly sensitive towards fabrication processes. The presence of stress concentration due to structural discontinuity or notch will highlight the role of these fabrication effects on the deformation capacity of the material. Due to this, a series of tensile tests are done on both pure base material (BM) and when it has been subjected to Heat Input (HI) and Cold Forming (CF). The surface of the material was dressed by laser beam with a certain speed to study the effect of HI while the CF is done by bending the specimen to a certain angle prior to tensile test. The generated results illustrate the impact of these processes on the deformation capacity of the material, specially, when the material has HI experience due to welding or similar processes. In order to compare the results with those of numerical simulation, LS-DYNA explicit commercial package has been utilized. The generated results show an acceptable agreement between experimental and numerical simulation outcomes.

Hitsatun alumiinirakenteen suunnittelu

Alumiiniseosten käyttö konstruktiomateriaalina lisääntyy johtuen sen lukuisista variaatioista lujuuden ja muovattavuuden suhteen. Alumiinin keveys on merkittävä kilpailuetu teräkseen nähden. Alumiiniseosten hitsattavuus on parantunut hitsausmenetelmien kehittyessä. Uusilla menetelmillä lämmöntuontia hallitaan paremmin, kuten myös alumiinin huokoisuutta sekä lujuuden laskua hitsauksen yhteydessä. Tässä diplomityössä tutkitaan alumiinin metallurgiaa, hitsausmenetelmiä, sekä alumiinin ja teräksen sekaliitoksen toteutusta. Tutkimuksella pyritään tekemään hitsatun alumiinirakenteen suunnittelua ymmärrettävämmäksi. SFS-EN standardit antavat perustuksen alumiinirakenteen suunnittelulle. Tässä diplomityössä tehdään suunnitteluesimerkki hitsatun alumiinirakenteen hitsien suunnittelusta. Suunnitteluesimerkissä tutkitaan alumiiniseoksen lujuuden laskua hitsattaessa, ja etsitään standardien antamia ratkaisuja toimivan hitsatun rakenteen toteuttamiseksi.

Modulaarinen arkkitehtuuri tuoteperheen kehittämisessä

Modulaarisen tuotteen kehittäminen tehostaa yrityksen kilpailukykyä ja helpottaa asiakkaiden tarpeiden tyydyttämistä. Tuoteperheen edut verrattaessa massatuotantoon ovat laajempi tuotevalikoima sekä parempi tuotettavuus massaräätälöintiin verrattuna. Eri tuotevaihtoehtoja ja moduuleja on mahdollista kehittää rinnakkain. Moduloitava tuoteperhe helpottaa yrityksen eri vaiheita aina tuotteen suunnittelusta huoltotoimenpiteisiin ja lopulta tuotteen purkamiseen. Asiakkaille tärkeitä hyötyjä moduloinnin osalta ovat tuotteiden parempi laatu ja huollettavuus. Täysin uuden modulaarisen tuoteperheen kehittäminen vaatii runsaasti resursseja suunnitteluosastolla. Modulaarisessa tuotteessa suunnittelutyö voidaan kohdistaa vain tietyn moduulin kohdalle ja suunnitteluaikoja saadaan täten lyhennettyä. Tässä kandidaatintyössä tutkittiin, miten hitsausautomaatiosovelluksissa modulaarisuus on toteutettu sekä pohditaan kehityskohteita, koska hitsausautomaatiosovelluksia tuotetaan runsaasti asiakasräätälöintinä. Tarkasteltavana tuoteperheenä oli robottihitsausportaalit ja hitsaustornit.

Orbitaali-TIG-hitsauksen kehittäminen compoundputkien hitsaamisessa

Tässä työssä tutkittiin orbitaali-TIG-hitsauksen hyödyntämistä paineenalaisten compoundputkien jatkohitsien hitsaamiseen. Tutkimus tehtiin Warkaus Works Oy:n omistamalle konepajalle. Tutkimuksen tavoitteena oli laatia standardin SFS-EN ISO 15613 mukaan hyväksytty hitsausmenetelmä. Työn kirjallisuuskatsauksessa esiteltiin orbitaalihitsauksessa käytettävät hitsausprosessit ja laitteistot eri liitosmuodoille. Työssä esiteltiin myös kuumavedettyjen compoundputkien valmistusprosessia ja rakennetta. Tämän lisäksi kerrottiin putkien hitsattavuudesta ja hitsauksen esivalmisteluista, sekä käyttökohteista voimalaitoskattilassa. Ennen menetelmäkokeen hitsausta suoritettiin suuri määrä koehitsauksia yrityksen orbitaali-TIG-laitteistolla. Onnistuneiden koehitsausten perusteella laadittiin hitsausohjelma, jolla hitsattiin testiputket menetelmäkokeeseen. Hitsausmenetelmää varten valittiin Sandvikin valmistama compoundputki. Testihitseille suoritettiin rikkomattomia ja rikkovia tarkastuksia. Hyväksyttyjen tarkastusten pohjalta laadittiin hitsausmenetelmän hyväksymispöytäkirjan. Lisäksi diplomityössä verrattiin mekanisoidun hitsauksen hitsausaikaa käsinhitsauksen hitsausaikaa. Orbitaali-TIG-hitsauksen käyttäminen edellyttää hitsattavalta railolta aina mahdollisimman samanlaisen lähtötilanteen, jotta sen suoritusvarmuus saadaan mahdollisimman korkeaksi. Railon valmistamisen tarkkuudella on mahdollista saada riittävän tarkkoja railoja hitsien laadukkaaseen hitsaukseen. Hitsaus edellyttää laitteiston langansyötön ja elektrodin tarkkoja asetuksia, jotta hitsaus on laadukasta. Lisäaineen jähmeä sula ja hitsin tunkeumavaatimus hankaloittavat orbitaalihitsausta.

Laser- plasma- hybridihitsauksen käytettävyys teollisuudessa

Hybridihitsaukseksi nimitetään yleensä hitsausprosesseja, joissa yhdistetään kaari- ja laserhitsauksen vahvuudet. Laser- MIG/MAG- prosessit ovat näistä selvästi yleisimpiä, mutta muillekin prosesseille on sovelluksia. Tässä kandidaatintyössä on arvioitu laser- plasma- hybridihitsausprosessin käytettävyyttä teollisuuden prosesseissa. Arviointi on tehty vertailevana kirjallisuustutkimuksena laser- plasma- hybridiprosessin, laserhitsauksen, sekä muiden laser- hybridihitsausprosessien kesken. Prosessien vertailun lisäksi työssä on käsitelty hybridihitsausprosessien parametrien valintaa ja laser- plasma- hybridiprosessin erityispiirteitä.

Sellumassan varastosäiliön rakenneanalyysi

Tämä työ käsittelee valkaistun ja valkaisemattoman sellumassan varastosäiliön tärinää ja värähtelyä. Värähtelyn seurauksena säiliön seinämän jäykisterenkaan hitsausliitokseen on syntynyt särö. Työn tavoitteena on selvittää, mikä johtaa särön syntyyn ja miten kestäväm-piä varastosäiliöitä voidaan rakentaa materiaali-, valmistus- tai rakennemuutoksien avulla. Työ alkoi tutkimalla rakennemateriaalina olevan duplex-teräksen mikrorakenteen ominai-suuksia, sekä sen hitsattavuutta ja seostamista kirjallisuustutkimuksena. Kirjallisuustutki-musta jatkettiin selvittämällä mahdollisia vaurion syntymekanismeja seinämän särölle. Työssä analysoitiin myös tehtaalla mitattuja värähtelyarvoja. Lopuksi laskettiin FE-analyysillä tyhjän varastosäiliön ominaismuodot ja -taajuudet moodianalyysillä, sekä selvi-tettiin harmonisella analyysillä pinnankorkeuden vaihtelun vaikutus siirtymävasteeseen ja kriittisiin värähtelytaajuuksiin. Varastosäiliöön kohdistuvaa värähtelyä ei ole mahdollista poistaa kokonaan, mutta väräh-telyn aiheuttamia seurauksia kyetään rajaamaan useilla keinoilla. Toimenpiteinä voivat olla ainakin seinämän materiaalin paksuuden lisääminen, jäykisteripojen lisääminen ja kriittisten sellun pinnankorkeuksien välttäminen. Kriittiseksi pinnankorkeudeksi havaittiin 40–45 %:n täyttöaste ja turvalliseksi korkeudeksi 35–38 %:n täyttöaste. Varastosäiliölle kriittisen ominaistaajuuden katsotaan syntyvän taajuuksilla 3,3–3,8 Hz ja 5,8–6,4 Hz. Sellumassa putoaa varastosäiliöön noin 2 Hz taajuudella.

Real-time adaptive control of ultra-fast laser scribing process with spectrometer online monitoring

There exist several researches and applications about laser welding monitoring and parameter control but not a single one have been created for controlling of laser scribing processes. Laser scribing is considered to be very fast and accurate process and thus it would be necessary to develop accurate turning and monitoring system for such a process. This research focuses on finding out whether it would be possible to develop real-time adaptive control for ultra-fast laser scribing processes utilizing spectrometer online monitoring. The thesis accurately presents how control code for laser parameter tuning is developed using National Instrument's LabVIEW and how spectrometer is being utilized in online monitoring. Results are based on behavior of the control code and accuracy of the spectrometer monitoring when scribing different steel materials. Finally control code success is being evaluated and possible development ideas for future are presented.

Suurlujuusterästen hitsausliitoksen muutosvyöhykkeen metallurgiset muutokset

Tässä kandidaatintyössä käsitellään suurlujuusteräksiä ja niiden hitsausta, keskittyen varsinkin hitsauksessa perusaineeseen syntyvään muutosvyöhykkeeseen. Työn alkuosio on suoritettu kirjallisuustutkimuksena ja siinä käydään läpi yleisesti suurlujuusterästen määrittelyä, valmistustapoja, hitsausta ja hitsaukseen liittyviä erityisnäkökohtia. Työn loppuosassa on tutustuttu suurlujuusteräksiä hitsattaessa syntyvään muutosvyöhykkeeseen koehitsien avulla. Suurlujuusteräksille ei ole luotu yleistä standardisoitua määrittelyasteikkoa, mutta teräksiä aletaan usein pitämään suurlujuusteräksinä kun niiden myötöraja ylittään 460–550 MPa. Tällaisia teräksiä voidaan valmistaa pääasiassa joko nuorruttamalla, termomekaanisesti valssaamalla tai suorakarkaisemalla. Valmistustavalla on suuri vaikutus teräksen hitsattavuuteen. Nuorrutetuille teräksille hitsattaessa muodostuvan muutosvyöhykkeen karkearakeisen osion raekoko voi kasvaa huomattavasti varsinkin suurempia lämmöntuonteja käytettäessä ja täten aiheuttaa merkittävääkin kovuuden kasvua, kuten myös tämän kandidaatintyön koehitseissä havaittiin. Termomekaanisesti valmistetuilla teräksillä ei vastaavanlaista kovuuden kasvua yleensä ilmene. Valmistustavasta riippumatta suurlujuusterästen mekaaniset ominaisuudet vaikuttaisivat heikentyvän kyseisellä vyöhykkeellä suurempia lämmöntuonteja käytettäessä. Suurlujuusterästen hitsausliitosten laatua pyritäänkin parantamaan jatkuvasti esimerkiksi kehittämällä materiaaleista paremmin hitsattavia ja hitsausprosesseista paremmin suurlujuusteräksien erityistarpeita huomioivia.

Asiakasohjautuvan hitsaustuotannon kehittäminen PK-konepajassa

Tässä diplomityössä tarkasteltiin asiakasohjautuvan hitsaustuotannon kehittämistä PK-konepajassa. Työn tarkoituksena oli kerätä taustatietoa asiakasohjautuvan hitsaustuotannon erityispiirteistä ja tarkastella hitsaustuotannon kehittämistä. Työssä tutustuttiin hitsausprosesseihin ja niiden kehitysversioihin sekä hitsausaineisiin. Tärkeänä osa-alueena olivat hitsin ja hitsaustuotannon laadun ja laadunhallinnan sekä hitsauksen mekanisoinnin ja automatisoinnin tarkastelu hitsauksen työsuojelua ja hitsausergonomiaa unohtamatta. Tämän jälkeen kartoitettiin yrityksen nykytilanne ja laadittiin kehittämistoimenpiteet sekä tarvittavat laskelmat ja kehitystyön implementointi. Sen jälkeen vertailtiin tehostettua toimintaa vanhaan toimintaan sekä tehtiin johtopäätökset toiminnan kehittämisestä.

Convenience of scallops in plate structures

In this thesis was performed comprehensive study about the convenience of scallops in plate structures. A literature review was performed and lack of knowledge was fulfilled with fatigue tests performed in the laboratory of Steel Structures at the Lappeenranta University of Technology and with finite element method. The aim of this thesis was to produce design guidance for the use of scallops for different structural details and different loading conditions. An additional aim was to include more precise instructions for scallop design to produce good fatigue resistance and appropriate manufacturing quality. The literature review was performed searching bridge engineering and maritime standards and design guides and studies from scientific databases and reference lists from the literature of this field. Fatigue tests were used to research the effect of using scallops or not using scallops to fatigue strength of bracket specimen. Tests were performed on three specimens with different scallop radii and to five specimens without scallops with different weld penetration depths. Finite element method using solid elements, symmetry and submodels was used to determine stress concentration factors for I-beams with scallops. Stresses were defined with hot spot stress method. Choosing to use a scallop or not in the structure is affected by many factors, such as structural and loading conditions and manufacturability. As a rule of thumb, scallops should be avoided because those cause stress concentration points to the structure and take a lot of time to manufacture. When scallops are not used, good quality welding should be provided and full weld penetration is recommended to be used in load carrying corner weld areas. In some cases, it is advisable to use scallops. In that case, circular scallops are recommended to be used and radius should be chosen from fatigue strength or manufacturing point of view.

Ultralujan teräksen kaarijuotto

Tässä diplomityössä tutkitaan ultralujan rakenneteräksen kaarijuotolla valmistettujen liitosten väsymiskestävyyttä. Tutkittavat liitokset ovat kuormaa kantamattomia X-liitoksia. Tutkinnassa vertaillaan puhtaasti juottamalla valmistettua liitosta hitsauksen ja juoton kombinaatioliitokseen, jossa pohjapalkona toimivan hitsin rajaviivalle on juotettu lisäpalko. Kaarijuottoa esitellään yleisesti liittämismenetelmänä. Ultralujaa rakenneterästä esitellään yleisesti ja tarkastellaan sen metallurgista käyttäytymistä sekä juotettaessa, että hitsattaessa. Tutkimuksessa tehtiin kaikkiaan 21 väsytystestiä. Väsytystestit muodostuivat kolmesta eri koekappalesarjasta. Ensimmäisen ja toisen sarjan koekappaleet tehtiin juottamalla, eri lisäaineilla. 3. sarjassa pienat hitsattiin, jonka jälkeen hitsin rajaviivalle tehtiin juotto. Kappaleiden geometriat mitattiin ennen testejä, ja osasta kappaleista mitattiin jäännösjännitykset. Kappaleista otettiin hieitä, joista tehtiin kovuusmittaukset ja suoritettiin makro- ja mikrotason tarkastelua liitosprosessin lämmöntuonnin vaikutuksesta. Väsytyskokeiden perusteella kappaleille määritettiin nimelliset ja rakenteelliset väsymisluokat. Tuloksista piirrettiin S-N –käyrät. Liitoksista tehtiin FEA-mallit, joista määritettiin liitoksen rajaviivalle muodostuva jännitys ja 2. sarjan koekappaleiden laskennalliset kestoiät. 1. sarjan juotoksissa oli ongelmana juotoksen tarttuvuus teräksen pintaan. 2. sarjan koetulokset olivat kaikkein parhaita. 3. sarjan kombinaatioliitokset ylsivät kohtalaisiin väsymisluokkiin. 2. sarjan koetulosten perusteella kaarijuotossa on potentiaalia ultralujan rakenneteräksen liittämismenetelmänä. Jatkotutkimuksen tarve on kuitenkin laaja. Tämä työ osoitti, että kaarijuottaminen voi olla vaativa liittämisprosessi, sillä toimiakseen se vaatii varsin tarkat parametrit, ja lisäksi prosessi on melko herkkä olosuhdemuutoksille.

Robotiikkatuoteperheen kehittäminen

Robottiikkatuoteperheeseen kuuluu robottihitsausportaalit, joiden päärunko rakentuu kote-lopalkeista. Koteloprofiilien käyttö on suosittua teollisuuden eri aloilla ja se soveltuu hyvin raskaaseen konepajateollisuuteen. Hitsausrobottiportaalin suunnitteluun liittyy monia eri vaiheita ja valituilla teknisillä ratkaisuilla voidaan vaikuttaa valmistettavan tuotteen hitsin laatuun ja työn onnistumiseen. Hitsausrobottiportaalit ovat usein asiakasräätälöityjä ratkaisuja, jolloin suunnittelutyö sekä valmistusvaihe vaativat runsaasti kapasiteettia. Modulaarisuuden avulla suunnittelu- ja valmistusvaiheita on mahdollista nopeuttaa sekä parantaa tuotteen testausta, huollettavuutta ja laatua. Tässä diplomityössä tutkittiin, miten hitsausrobottiportaalin vaakapuomi käyttäytyy ja taipuu erilaisissa kuormitustilanteissa. Lisäksi työssä määritettiin alkuperäisen koteloprofiilin tilalle uusi optimoitu koteloprofiili sekä tarkasteltiin moduloinnin mahdollistamista robo-tiikkatuoteperheen portaalisovelluksiin.