Tandem-MAG-welding of high strength steels for shipbuilding applications

Tämän työn tavoitteena oli hitsata tandem MAG –laitteistolla 25 mm paksua Ruukin E500 TMCP terästä. Työssä oli tarkoituksena vähentää railotilavuutta mahdollisimman paljon sekä suorittaa testihitsaukset 0.8 kJ/mm sekä 2.5 kJ/mm lämmöntuonneilla. Teoriaosuudessa käsiteltiin Tandem MAG-hitsaukseen, sen tuottavuuteen ja laatukysymyksiin liittyviä asioita sekä siinä perehdyttiin suurlujuusteräksien käyttöön hitsauksessa sekä laivanrakennuksessa. Kokeellisessa osuudessa perehdyttiin hitsauksessa huomattuihin etuihin, ongelmiin sekä ongelmien ratkaisumahdollisuuksiin. Hitsausliitoksen mekaaniset ominaisuudet tutkittiin rikkomattomin sekä rikkovin menetelmin. Alustavat hitsausohjeet luotiin kummallekin lämmöntuonnille. Testaukset aloitettiin 30 º railokulmalla pienentäen kulmaa mahdollisuuksien mukaan. Testauksissa ei saatu hitsattua onnistuneesti alle 30 º railokulmalla. Hitsaustestien aikana huomattiin magneettisen puhalluksen vaikutus hitsaustapahtumaan. Kaasunvirtausnopeuden tuli olla tietyn suuruinen jotta palkokerrokset onnistuivat ilman huokoisuusongelmaa. Pienemmällä lämmöntuonnilla hitsattaessa kaasunvirtausnopeudet olivat tärkeämpiä hitsatessa ylempiä palkokerroksia. Kääntämällä hitsauspoltinta sivuttaissuunnassa 7-10 astetta auttoi ehkäisemään reunahaavan syntymistä. Rikkovista menetelmistä testitulokset olivat hyväksyttyjä kaikkien muiden paitsi päittäishitsin sivutaivutuskokeen osalta.

Narrow Gap flux-cored arc welding of high strength shipbuilding steels

This thesis is part of the Arctic Materials Technologies Development –project. The research of the thesis was done in cooperation with Arctech Helsinki Shipyard, Lappeenranta University of Technology and Kemppi Oy. Focus of the thesis was to study narrow gap flux-cored arc welding of two high strength steels with three different groove angles of 20°, 10° and 5°. Welding of the 25 mm thick E500 TMCP and 10 mm thick EH36 steels was mechanized and Kemppi WisePenetration and WiseFusion processes were tested with E500 TMCP steel. EH36 steel test pieces were welded without Wise processes. Shielding gases chosen were carbon dioxide and a mixture of argon and carbon dioxide. Welds were tested with non-destructive and destructive testing methods. Radiographic, visual, magnetic particle and liquid penetrant testing proved that welds were free from imperfections. After non-destructive testing, welds were tested with various destructive testing methods. Impact strength, bending, tensile strength and hardess tests proved that mechanized welding and Wise processes produced quality welds with narrower gap. More inconsistent results were achieved with test pieces welded without Wise processes. Impact test results of E500 TMCP exceeded the 50 J limit on weld, set by Russian Maritime Register of Shipping. EH36 impact test results were much closer to the limiting values of 34 J on weld and 47 on HAZ. Hardness values of all test specimens were below the limiting values. Bend testing and tensile testing results fulfilled the the Register requirements. No cracking or failing occurred on bend test specimens and tensile test results exceeded the Register limits of 610 MPa for E500 TMCP and 490 MPa for EH36.

Green welding in practice

Efficient production and consumption of energy has become the top priority of national and international policies around the world. Manufacturing industries have to address the requirements of the government in relation to energy saving and ecologically sustainable products. These industries are also concerned with energy and material usage due to their rising costs. Therefore industries have to find solutions that can support environmental preservation yet maintain competitiveness in the market. Welding, a major manufacturing process, consumes a great deal of material and energy. It is a crucial process in improving a product’s life-cycle cost, strength, quality and reliability. Factors which lead to weld related inefficiencies have to be effectively managed, if industries are to meet their quality requirements and fulfil a high-volume production demand. Therefore it is important to consider some practical strategies in welding process for optimization of energy and material consumption. The main objective of this thesis is to explore the methods of minimizing the ecological footprint of the welding process and methods to effectively manage its material and energy usage in the welding process. The author has performed a critical review of the factors including improved weld power source efficiency, efficient weld techniques, newly developed weld materials, intelligent welding systems, weld safety measures and personnel training. The study lends strong support to the fact that the use of eco-friendly welding units and the quality weld joints obtained with minimum possible consumption of energy and materials should be the main directions of improvement in welding systems. The study concludes that, gradually implementing the practical strategies mentioned in this thesis would help the manufacturing industries to achieve on the following - reduced power consumption, enhanced power control and manipulation, increased deposition rate, reduced cycle time, reduced joint preparation time, reduced heat affected zones, reduced repair rates, improved joint properties, reduced post-weld operations, improved automation, improved sensing and control, avoiding hazardous conditions and reduced exposure of welder to potential hazards. These improvement can help in promotion of welding as a green manufacturing process.

The effect of focal point parameters in fiber laser welding of structural steel

In this thesis the effect of focal point parameters in fiber laser welding of structural steel is studied. The goal is to establish relations between laser power, focal point diameter and focal point position with the resulting quality, weld-bead geometry and hardness of the welds. In the laboratory experiments, AB AH36 shipbuilding steel was welded in an I-butt joint configuration using IPG YLS-10000 continuous wave fiber laser. The quality of the welds produced were evaluated based on standard SFS-EN ISO 13919-1. The weld-bead geometry was defined from the weld cross-sections and Vickers hardness test was used to measure hardness's from the middle of the cross-sections. It was shown that all the studied focal point parameters have an effect on the quality, weld-bead geometry and hardness of the welds produced.

Thick Section Laser Beam Welding of Structural Steels: Methods for Improving Welding Efficiency

Laser beam welding (LBW) is applicable for a wide range of industrial sectors and has a history of fifty years. However, it is considered an unusual method with applications typically limited to welding of thin sheet metal. With a new generation of high power lasers there has been a renewed interest in thick section LBW (also known as keyhole laser welding). There was a growing body of publications during 2001-2011 that indicates an increasing interest in laser welding for many industrial applications, and in last ten years, an increasing number of studies have examined the ways to increase the efficiency of the process. Expanding the thickness range and efficiency of LBW makes the process a possibility for industrial applications dealing with thick metal welding: shipbuilding, offshore structures, pipelines, power plants and other industries. The advantages provided by LBW, such as high process speed, high productivity, and low heat input, may revolutionize these industries and significantly reduce the process costs. The research to date has focused on either increasing the efficiency via optimizing process parameters, or on the process fundamentals, rather than on process and workpiece modifications. The argument of this thesis is that the efficiency of the laser beam process can be increased in a straightforward way in the workshop conditions. Throughout this dissertation, the term “efficiency” is used to refer to welding process efficiency, specifically, an increase in efficiency refers an increase in weld’s penetration depth without increasing laser power level or decreasing welding speed. These methods are: modifications of the workpiece – edge surface roughness and air gap between the joining plates; modification of the ambient conditions – local reduction of the pressure in the welding zone; modification of the welding process – preheating of the welding zone. Approaches to improve the efficiency are analyzed and compared both separately and combined. These experimentally proven methods confirm previous findings and contribute additional evidence which expand the opportunities for laser beam welding applications. The focus of this research was primarily on the effects of edge surface roughness preparation and pre-set air gap between the plates on weld quality and penetration depth. To date, there has been no reliable evidence that such modifications of the workpiece give a positive effect on the welding efficiency. Other methods were tested in combination with the two methods mentioned above. The most promising - combining with reduced pressure method - resulted in at least 100% increase in efficiency. The results of this thesis support the idea that joining those methods in one modified process will provide the modern engineering with a sufficient tool for many novel applications with potential benefits to a range of industries.

Dynamic Competitor Analysis Model Of Welding Quality Management Software

Tämä diplomityö arvioi hitsauksen laadunhallintaohjelmistomarkkinoiden kilpailijoita. Kilpailukenttä on uusi ja ei ole tarkkaa tietoa siitä minkälaisia kilpailijoita on markkinoilla. Hitsauksen laadunhallintaohjelmisto auttaa yrityksiä takaamaan korkean laadun. Ohjelmisto takaa korkean laadun varmistamalla, että hitsaaja on pätevä, hän noudattaa hitsausohjeita ja annettuja parametreja. Sen lisäksi ohjelmisto kerää kaiken tiedon hitsausprosessista ja luo siitä vaadittavat dokumentit. Diplomityön teoriaosuus muodostuu kirjallisuuskatsauksesta ratkaisuliike-toimintaan, kilpailija-analyysin ja kilpailuvoimien teoriaan sekä hitsauksen laadunhallintaan. Työn empiriaosuus on laadullinen tutkimus, jossa tutkitaan kilpailevia hitsauksen laadunhallintaohjelmistoja ja haastatellaan ohjelmistojen käyttäjiä. Diplomityön tuloksena saadaan uusi kilpailija-analyysimalli hitsauksen laadunhallintaohjelmistoille. Mallin avulla voidaan arvostella ohjelmistot niiden tarjoamien primääri- ja sekundääriominaisuuksien perusteella. Toiseksi tässä diplomityössä analysoidaan nykyinen kilpailijatilanne hyödyntämällä juuri kehitettyä kilpailija-analyysimallia.

Underwater Remote Welding Technology for Offshore Structures

The construction of offshore structures, equipment and devices requires a high level of mechanical reliability in terms of strength, toughness and ductility. One major site for mechanical failure, the weld joint region, needs particularly careful examination, and weld joint quality has become a major focus of research in recent times. Underwater welding carried out offshore faces specific challenges affecting the mechanical reliability of constructions completed underwater. The focus of this thesis is on improvement of weld quality of underwater welding using control theory. This research work identifies ways of optimizing the welding process parameters of flux cored arc welding (FCAW) during underwater welding so as to achieve desired weld bead geometry when welding in a water environment. The weld bead geometry has no known linear relationship with the welding process parameters, which makes it difficult to determine a satisfactory weld quality. However, good weld bead geometry is achievable by controlling the welding process parameters. The doctoral dissertation comprises two sections. The first part introduces the topic of the research, discusses the mechanisms of underwater welding and examines the effect of the water environment on the weld quality of wet welding. The second part comprises four research papers examining different aspects of underwater wet welding and its control and optimization. Issues considered include the effects of welding process parameters on weld bead geometry, optimization of FCAW process parameters, and design of a control system for the purpose of achieving a desired bead geometry that can ensure a high level of mechanical reliability in welded joints of offshore structures. Artificial neural network systems and a fuzzy logic controller, which are incorporated in the control system design, and a hybrid of fuzzy and PID controllers are the major control dynamics used. This study contributes to knowledge of possible solutions for achieving similar high weld quality in underwater wet welding as found with welding in air. The study shows that carefully selected steels with very low carbon equivalent and proper control of the welding process parameters are essential in achieving good weld quality. The study provides a platform for further research in underwater welding. It promotes increased awareness of the need to improve the quality of underwater welding for offshore industries and thus minimize the risk of structural defects resulting from poor weld quality.

Development of a New Welding Product Quality Control and Management System Model for China

The Chinese welding industry is growing every year due to rapid development of the Chinese economy. Increasingly, companies around the world are looking to use Chinese enterprises as their cooperation partners. However, the Chinese welding industry also has its weaknesses, such as relatively low quality and weak management. A modern, advanced welding management system appropriate for local socio-economic conditions is required to enable Chinese enterprises to enhance further their business development. The thesis researches the design and implementation of a new welding quality management system for China. This new system is called ‗welding production quality control management model in China‘ (WQMC). Constructed on the basis of analysis of a survey and in-company interviews, the welding management system comprises the following different elements and perspectives: a ‗Localized congenital existing problem resolution strategies‘ (LCEPRS) database, a ‗human factor designed training system‘ (HFDT) training strategy, the theory of modular design, ISO 3834 requirements, total welding management (TWM), and lean manufacturing (LEAN) theory. The methods used in the research are literature review, questionnaires, interviews, and the author‘s model design experiences and observations, i.e. the approach is primarily qualitative and phenomenological. The thesis describes the design and implementation of a HFDT strategy in Chinese welding companies. Such training is an effective way to increase employees‘ awareness of quality and issues associated with quality assurance. The study identified widely existing problems in the Chinese welding industry and constructed a LCEPRS database that can be used in efforts to mitigate and avoid common problems. The work uses the theory of modular design, TWM and LEAN as tools for the implementation of the WQMC system.

Controlling full penetration in MAG welding by the application of infrared thermography and neural network

In this study, an infrared thermography based sensor was studied with regard to usability and the accuracy of sensor data as a weld penetration signal in gas metal arc welding. The object of the study was to evaluate a specific sensor type which measures thermography from solidified weld surface. The purpose of the study was to provide expert data for developing a sensor system in adaptive metal active gas (MAG) welding. Welding experiments with considered process variables and recorded thermal profiles were saved to a database for further analysis. To perform the analysis within a reasonable amount of experiments, the process parameter variables were gradually altered by at least 10 %. Later, the effects of process variables on weld penetration and thermography itself were considered. SFS-EN ISO 5817 standard (2014) was applied for classifying the quality of the experiments. As a final step, a neural network was taught based on the experiments. The experiments show that the studied thermography sensor and the neural network can be used for controlling full penetration though they have minor limitations, which are presented in results and discussion. The results are consistent with previous studies and experiments found in the literature.

Possibilities of advanced MAG-welding processes in shipbuilding

In shipbuilding industry welding of primer coated and tack welded steel products cause different issues. Primer coated steel products are commonly used at shipyards to ensure corrosion free storage of products in outdoor conditions. However usage of primer can cause imperfections to welds. To prevent porosity primed steel products are usually welded with tubular welding wires. Tack welds cause commonly interferences in mechanized welding when over welded, which increases costs related to welding due to increased need of preparing and repairing. The aim of this study is to research possibilities of advanced solid wire MAG-welding processes to deal with these two previously mentioned problems. This study concentrates to examine possibilities of MAG-welding, pulse MAG-welding, double pulse MAG-welding, RapidArc and ForceArc processes. Large amount of experiments were made to find out the produced porosity and the ability to over weld tack welds with each process in different circumstances. In welding of primed steel products porosity is caused mainly by hydrogen, CO, CO2, nitrous gases and zinc fumes. It was found in experiments that porosity of MAG-welding can be greatly decreased by using pulse MAG-welding instead. Also reduction of welding speed, usage of air gap and usage of solid wire product with higher amount of alloying elements reduces porosity. Researched advanced MAG-welding processes did not have an improvement into over welding of tack welds. With studied throat thicknesses and welding positions conventional MAG-welding managed better over welding of tack welds than the four studied advanced MAG-welding processes. Studied solid wire MAG-welding processes would be best suited at shipyard for mechanized welding in welding position PB. In welding positions PD and PG tubular welding wires are clearly more productive.

Comparison of EN & ASME welding and its allied processes standards

This thesis is made in cooperation with Wärtsilä and Sandvik. The main purpose of the thesis is to clarify the best suitable American standards for European standards used in Wärtsilä’s investigation checklist and to make wide and easily readable tables for Wärtsilä and their subcontractors. One of the most important issues is to make clear if the compared American standards are demanding enough for Wärtsilä’s needs. The research is done by comparing EN standards mentioned in Wärtsilä’s investigation checklist to corresponding ASME, AWS, ASNT and ASTM standards. The research shows that there is visible lack of requirements in American standards compared to European ones. Some areas of American standards are more demanding than European standards but in larger scale EN standards are much wider and more demanding than American standards. Because of these reasons, usage of European standards should be recommended for Wärtsilä’s subcontractors to ensure the quality and reliability of production.

Hiiliteräspalkin kuitulaserhitsaus

Hitsaavassa teollisuudessa kilpailukyvyn säilyttäminen ja mahdollinen parantaminen edellyttää hitsauksen tehokkuuden nostoa. Laserhitsauksen nopeus, tarkkuus, tasainen laatu ja aikaansaatava syvä tunkeuma ovatkin vakiinnuttaneet menetelmän vankan aseman tehokkaana valmistusmenetelmänä. Sähkön ja heliumin hinnan nousu ovat pakottaneet teollisuuden miettimään entistä tehokkaampien ja ympäristöystävällisempien laserlähteiden hankkimista. Kuitulaserin korkea hyötysuhde, hyvä säteenlaatu, suuri teho ja matalat käyttökustannukset ovat herättäneet kiinnostusta laserhitsaavassa teollisuudessa. Diplomityössä keskityttiin kuitulaserhitsauksen soveltamiseen. Työn tavoitteena oli parantaa kuitulaserhitsausmenetelmän ymmärrystä ja saada käsitys siitä, miten valitaan hitsausparametrien arvot, ja soveltuuko kuitulaser teolliseen tuotantoon. Tutkimuksessa pyrittiin löytämään peruskokeilla optimaaliset hitsausparametrit, joilla syntyy hyvin tunkeutunut, vähän huokosia sisältävä, ja ulkoisesti laadukas hitsi, sekä optimaalinen hitsin tunkeumaprofiili. Lopuksi hitsausparametreja testattiin tuotteen hitsauksessa. Kuitulaser soveltuu erinomaisesti hiiliteräksen hitsaukseen ja hyvin erikoislujien terästen hitsaukseen, kun teräksen hiili- ja rikkipitoisuudet ovat matalia. Sillä on laaja parametrialue. Yleisimmät hitsausvirheet ovat vajaa hitsautumissyvyys ja huokoset. Tässä diplomityössä keskityttiin etsimään yhdelle valmistettavalle tuotteelle optimaaliset kuitulaserhitsausparametrit. Kuitulaserin laser- ja prosessiparametrien vaikutusta hitsiin ei ole juurikaan tutkittu. Diplomityön kokeiden perusteella olisi hyvä tehdä eri materiaalien jatkotutkimusta railonvalmistuksen, kuten liitoksen oksidikerroksen ja ilmaraon sekä suojakaasun, vaikutuksesta hitsiin. Kuitulaserin hyvä säteenlaatu ja muut laser-parametrit ovat tuoneet mukanaan prosessiin uusia ilmiöitä, joita on syytä tutkia lisää.

Hitsausparametrien vaikutus rakenneteräksen MAG-hitsin laatuun

Työn tavoitteena oli löytää teräksen S355 MAG alapienahitsaukselle, 6mm:n levypaksuudelle sellaiset parametri-ikkunat, joissa hitsin ja perusaineen liittyminen on mahdollisimman jouheva. Hitsin laadunja hitsausparametrien välille pyritiin löytämään matemaattista korrelaatiota. Työ painottui hitsin muotoon sekä hitsin ja perusaineen liittymiseen. Työstä saatuja tuloksia käytettiin hitsattaessa väsytyskoekappaleita mutta niiden tutkiminen ei sisältynyt tähän työhön. Työssä haettiin parametreja a-mitaltaan 4mm:n alapienahitsille kahdeksalle yleisesti käytetylle hitsauslangalle, joista kolme oli umpilankaa, neljä metallitäytelankaa ja yksi rutiilitäytelanka ja kaasuina käytettiin kahta argon hiilidioksidi seoskaasua ja kahta argon helium seoskaasua.

LM-vesiturbiinin tuotteistaminen

Tämän työn tarkoituksena on kehittää LM-vesiturbiini tuotantoon soveltuvaksi, käytöltään pitkäikäiseksi ja helposti huollettavaksi tuotesarjaksi. Työn ohjaavana runkona on käytetty VDI-Richtlinie 2221: 'Kehitystyön ja konstruoinnin yleinen kulku', mukaista järjestelmää. Lisäksi on käytetty valmistuksellista modulointia tuotteen osien suunnittelussa. Erityisesti on huomioitu tuotteen koko elinkaaren aikaiset kustannukset (LCC) ja sen vaatimukset mitoitukseen. LM-vesiturbiinistaon kehitetty kolmen erikokoisen laitteiston tuotesarja. Tuoteperheen yksittäisistä sylinteriryhmistä voidaan koota joustavasti erikokoisia ja -tehoisia energiantuotantoyksiköitä, jotka soveltuvat käyttöön hyvin pieniinkin virtauksiin ja putouskorkeuksiin. Piensarjatuotantoon hyvin soveltuvat materiaalit on valittu silmälläpitäen mahdollisimman edullista kokonaiskustannusta. Kiertomäntä laitteiston toiminnan kannalta tärkeimpänä ja siten vaativimpana osana on edellyttänyt laserhitsausta ja -leikkausta sekä koekappaleiden valmistusta, joiden perusteellalopulliseen rakenteeseen on päädytty. Mitoitus perustuu perinteisiin lujuuslaskentamenetelmiin, joiden avulla eri osien kestävyys käyttöolosuhteissa on pyrittysaamaan luotettavaksi vähintään 20 vuoden kestoiälle ja väsymiskestävyyteen käytön aikaisissa vaihtelevissa olosuhteissa. Kiertomäntä on ns. kevytrakenne koostuen ohutlevykennorakenteesta ja täytteenä olevasta kompound-materiaalista.

Laser-MAG-hybridihitsauksen käyttöönotto laivan rungon valmistuksessa

Perinteisten kaarihitsausmenetelmien suhteellisen suuri lämmöntuonti aiheuttaa huomattavia muodonmuutoksia laivan rungon valmistusprosessin alkuvaiheessa. Muodonmuutosten seurauksena rakenteiden mitta- ja muototarkkuus heikkenee, mikä lisää oikaisu- ja sovitustyötä myöhemmissä työvaiheissa. Hitsausmuodonmuutoksia voidaan vähentää siirtymällä käyttämään laser-MAG-hybridihitsausta, jossa lämmöntuonti on merkittävästi pienempi kuin kaarihitsauksessa. Näin kyetään oleellisesti leikkaamaan oikaisu- ja sovitustyöstä syntyviä kustannuksia. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää tuotantovalmiiksi kuitulaser- ja MAG-hitsauksen yhdistelmäprosessi Aker Yards Oy:n Turun telakalla loppuvuoden 2006 aikana. Hitsauslaitteiston asennus oli valmistunut kesäkuussa 2006, minkä jälkeen aloitettiin luokituslaitoksen hyväksymän koeohjelman hitsaukset. Käyttöönotto suunnitelmaan sisältyvä koehitsausohjelma oli laadittu Det Norske Veritaksen julkaisemaa ohjetta (Guidelines no. 19) mukaillen. Ensimmäiseksi määritettiin hitsauskokeiden avulla prosessille laadun ja tehokkuuden suhteen optimaalinen railogeometria. Seuraavaksi optimoitiin prosessin hitsausparametrit 6 mm:n aineenpaksuudelle hyödyntäen Taguchi-koesuunnittelumenetelmää. Tämän jälkeen optimiparametreilla hitsattiin koekappale väsytyskokeisiin, jotka suoritettiin Teknillisen korkeakoulun laivalaboratoriossa. Väsytyskoetulokset täyttivät luokituslaitoksen vaatimukset. Myös hitsauksen menetelmäkoe suoritettiin hyväksytetysti. Viimeinen koeohjelman mukainen hitsauskoesarja tehtiin prosessiparametrien sallittujen vaihtelurajojen määrittämiseksi. Diplomityön tavoite täyttyi joulukuussa 2006, jolloin 'laivan kansipaneeli hitsattiin ensimmäistä kertaa uudella hitsausprosessilla. Hitsauksen laatu korreloi hyvin menetelmäkokeen tulosten kanssa ¿ hitsit olivat tasalaatuisia ja ne täyttivät B-luokan vaatimukset.