Lujien painelaiteterästen hitsaus

Työn tavoitteena oli tutkia lujan nuorrutetun painelaiteteräksen P500QL2 hitsattavuutta ja koehitsausten avulla löytää optimaaliset hitsausparametrit ja lämmöntuonti teräksen hitsaukseen. Työn tavoitteena oli myös selvittää ja käsitellä kaikkien painelaiteterässtandardissa esitettyjen lujien painelaiteterästen hitsauksessa huomioon otettavia asioita. Työn teoriaosuudessa käsitellään lujien painelaiteterästen hitsauksessa huomioitavia erityispiirteitä, kuten lämmöntuontia, jäähtymisaikaa, esilämmitystä sekä hitsausaineiden valintaa. Lisäksi teoriaosuudessa käsitellään painelaitteiden valmistusta, painelaiteterässtandardiin kuuluvia lujia painelaiteteräksiä sekä keinoja lujien terästen hitsattavuuden arviointiin. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin aineenvahvuudeltaan 50 mm paksun P500QL2-teräksen päittäisliitoksen mekaanisia ominaisuuksia eri lämmöntuonneilla hitsattuna. Kokeellisessa osassa tutkittiin myös myöstön poisjättämisen vaikutuksia liitoksen mekaanisiin ominaisuuksiin. Mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin toteuttamalla koekappaleiden aineenkoetus menetelmäkoestandardin vaatimuksia soveltaen. Tutkimuksessa käytettyjä testausmenetelmiä olivat silmämääräinen tarkastus, magneettijauhetarkastus, ultraäänitarkastus, mikro- ja makrorakennetarkastelu, kovuuskokeet, vetokokeeet ja iskukokeet. Testauksessa saatujen tulosten avulla lujan painelaiteteräksen P500QL2 hitsaukseen laadittiin alustava hitsausohje. Hitsausliitosten testauksessa saatujen tulosten perusteella havaittiin hitsien lujuuden ja kovuuden laskevan lämmöntuonnin kasvaessa. Hitsausliitosten iskusitkeysominaisuudet olivat erinomaiset vielä suurellakin lämmöntuonnilla, mutta liitosten murtovenymäarvot laskivat lämmöntuonnin kasvaessa. Myöstön havaittiin parantavan hitsin mekaanisia ominaisuuksia huomattavasti. Tutkimuksen tulosten perusteella painelaiteteräs P500QL2 on hitsattavissa suurella lämmöntuonnilla ja suurella tuottavuudella liitoksen täyttäessä painelaitevalmistuksen edellyttämät vaatimukset.

Synthesis and Characterization of Cellulose fiber-silica nanocomposites

Cellulose fiber-silica nanocomposites with novel mechanical, chemical and thermal properties have potential to be widely applied in different area. Monodispered silica nanoparticles play an important role in enhancing hybrids properties of hardness, strength, thermal stability etc. On the other hand, cellulose is one of the world’s most abundant and renewable polymers and possesses several unique properties required in many areas and biomedicine. The aim of this master thesis is to study if silica particles from reaction of sodium silicate and sulphuric acid can be adsorbed onto cellulose fiber surfaces via in situ growth. First, nanosilica particles were synthesized. Effect of pH and silica contents were tested. In theoretical part, introduction of silica, methods of preparation of nanosilica from sodium silicate, effect factors and additives were discussed. Then, cellulose fiber-silica nanocomposites were synthesis via route from sodium silicate and route silicic acid. In the experiment of route from sodium silicate, the effects of types of sodium silicate, pH and target ratio of silica to fiber were investigated. From another aspect, the effects of types of sodium silicate, fiber concentration in mixture solution and target ratio of silica to fiber were tested in the experiment of route from silicic acid. Samples were investigated via zeta potential measurement, particle size distribution, ash content measurement and Scanning Electron Microscopy (SEM). The Results of the experiment of preparing silica sol were that the particle size of silica sol was smaller prepared in pH 11.7 than that prepared in pH 9.3. Then in the experiment of synthesis of cellulose fiber-silica nanocomposites, it was concluded that the zeta potential of all the samples were around -16 mV and the highest ash content of all the samples was only 1.4%. The results of SEM images showed only a few of silica particles could be observed on the fiber surface, which corresponded to the value of ash content measurement.

Welding of additively manufactured stainless steel parts: Comparative study between sheet metal and selective laser melted parts

Additive manufacturing is a fast growing manufacturing technology capable of producing complex objects without the need for conventional manufacturing process planning. During the process the work piece is built by adding material one layer at a time according to a digital 3D CAD model. At first additive manufacturing was mainly used to make prototypes but the development of the technology has made it possible to also make final products. Welding is the most common joining method for metallic materials. As the maximum part size of additive manufacturing is often limited, it may sometimes be required to join two or more additively manufactured parts together. However there has been almost no research on the welding of additively manufactured parts so far, which means that there has been very little information available on the possible differences compared to the welding of sheet metal parts. The aim of this study was to compare the weld joint properties of additively manufactured parts to those of sheet metal parts. The welding process that was used was TIG welding and the test material was 316L austenitic stainless steel. Weld joint properties were studied by making tensile, bend and hardness tests and by studying the weld microstructures with a microscope. Results show that there are certain characteristics in the welds of additively manufactured parts. The building direction of the test pieces has some impact on the mechanical properties of the weld. Nevertheless all the welds exhibited higher yield strength than the sheet metal welds but at the same time elongation at break was lower. It was concluded that TIG welding is a feasible process for welding additively manufactured parts.

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.

Kartongin fysikaalisten ominaisuuksien vaikutus muovautuvuuteen

Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jolla voitaisiin arvioida veto-ominaisuuksien avulla konvertointikoneen prässäysnopeuden ja muottien lämpötilan vaikutuksia kartongin muovautuvuuteen. Kirjallisuusosassa käsiteltiin kartongin muovautuvuuteen vaikuttavia ominaisuuksia sekä vetolujuuteen vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi käsiteltiin kosteuden vaikutusta muovautuvuuteen sekä esiteltiin vuokakonvertointiprosessin periaate ja muovin sekä kartongin käyttäytymisen erot konvertointiprosessissa. Kokeellinen osa jakaantui kolmeen osaan. Esikokeissa tutkittiin laboratoriomittauksilla vetonopeuden ja kosteuden muutosten vaikutusta erilaisten kaupallisten kartonkimateriaalien vetolujuuteen ja murtovenymään. Tulosten perusteella valittiin prässäysnopeudet ja kosteustaso 2D- testauslaitteella suoritettuihin esi-pilot-mittakaavan kokeisiin sekä varsinaiseen pilot-koeajoon. Pilot-koeajossa pyrittiin arvioimaan prässäysnopeuden ja muottien lämpötilan vaikutuksia muovautuvuuteen vetolujuusarvojen avulla. Prässäysnopeudella ja vetolujuuslaitteen nopeudella ei havaittu yhteneväisyyksiä, jotta voitaisiin arvioida kartongin muovautuvuutta. Muovautuvuutta voidaan kuitenkin arvioida epäonnistuneisuusluvulla, jonka laskentapa kehitettiin työn aikana. Epäonnistuneisuusluku kuvaa hyvin kartongin muovautuvuutta ja on menetelmänä helppo, mutta sen heikkoutena on repeämien mittaamisen aiheuttama epätarkkuus. Esikokeissa havaittiin myös muovipäällysteiden veto-ominaisuuksien vastaavan kartongin ominaisuuksia 65 %:n suhteellisessa kosteudessa, jonka valittiin siten olevan optimaalinen olosuhde pilot-mittakaavan koeajoihin.

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.

Effect of heat input on the mechanical properties of welded joints in high strength steels

Experiments were carried out to determine the properties of the welded joints in 8mm thick high-strength steels produced by quenching and tempering and thermomechanical rolling with accelerated cooling (tensile strength 821–835 MPa). The dependence of the strength, elongation, hardness, impact energy and crack opening displacement on the heat input in the range 1.0–0.7 kJ mm21 was determined. The results show that the dependence of the strength of the welded joints decreases and that of the elongation increases. The heat input has only a slight effect on the impact energy and crack opening displacement in the heat-affected zone.

Simulation and material calibration of ultra high strength steel (UHSS) S960 welded joint under static tensile test utilizing finite element method (FEM)

The aim of this work was to calibrate the material properties including strength and strain values for different material zones of ultra-high strength steel (UHSS) welded joints under monotonic static loading. The UHSS is heat sensitive and softens by heat due to welding, the affected zone is heat affected zone (HAZ). In this regard, cylindrical specimens were cut out from welded joints of Strenx® 960 MC and Strenx® Tube 960 MH, were examined by tensile test. The hardness values of specimens’ cross section were measured. Using correlations between hardness and strength, initial material properties were obtained. The same size specimen with different zones of material same as real specimen were created and defined in finite element method (FEM) software with commercial brand Abaqus 6.14-1. The loading and boundary conditions were defined considering tensile test values. Using initial material properties made of hardness-strength correlations (true stress-strain values) as Abaqus main input, FEM is utilized to simulate the tensile test process. By comparing FEM Abaqus results with measured results of tensile test, initial material properties will be revised and reused as software input to be fully calibrated in such a way that FEM results and tensile test results deviate minimum. Two type of different S960 were used including 960 MC plates, and structural hollow section 960 MH X-joint. The joint is welded by BöhlerTM X96 filler material. In welded joints, typically the following zones appear: Weld (WEL), Heat affected zone (HAZ) coarse grained (HCG) and fine grained (HFG), annealed zone, and base material (BaM). Results showed that: The HAZ zone is softened due to heat input while welding. For all the specimens, the softened zone’s strength is decreased and makes it a weakest zone where fracture happens while loading. Stress concentration of a notched specimen can represent the properties of notched zone. The load-displacement diagram from FEM modeling matches with the experiments by the calibrated material properties by compromising two correlations of hardness and strength.

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.

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.

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.