Optimization of parameters for fiber laser-MAG hybrid welding in shipbuilding applications

The Arctic region becoming very active area of the industrial developments since it may contain approximately 15-25% of the hydrocarbon and other valuable natural resources which are in great demand nowadays. Harsh operation conditions make the Arctic region difficult to access due to low temperatures which can drop below -50 °C in winter and various additional loads. As a result, newer and modified metallic materials are implemented which can cause certain problems in welding them properly. Steel is still the most widely used material in the Arctic regions due to high mechanical properties, cheapness and manufacturability. Moreover, with recent steel manufacturing development it is possible to make up to 1100 MPa yield strength microalloyed high strength steel which can be operated at temperatures -60 °C possessing reasonable weldability, ductility and suitable impact toughness which is the most crucial property for the Arctic usability. For many years, the arc welding was the most dominant joining method of the metallic materials. Recently, other joining methods are successfully implemented into welding manufacturing due to growing industrial demands and one of them is the laser-arc hybrid welding. The laser-arc hybrid welding successfully combines the advantages and eliminates the disadvantages of the both joining methods therefore produce less distortions, reduce the need of edge preparation, generates narrower heat-affected zone, and increase welding speed or productivity significantly. Moreover, due to easy implementation of the filler wire, accordingly the mechanical properties of the joints can be manipulated in order to produce suitable quality. Moreover, with laser-arc hybrid welding it is possible to achieve matching weld metal compared to the base material even with the low alloying welding wires without excessive softening of the HAZ in the high strength steels. As a result, the laser-arc welding methods can be the most desired and dominating welding technology nowadays, and which is already operating in automotive and shipbuilding industries with a great success. However, in the future it can be extended to offshore, pipe-laying, and heavy equipment industries for arctic environment. CO2 and Nd:YAG laser sources in combination with gas metal arc source have been used widely in the past two decades. Recently, the fiber laser sources offered high power outputs with excellent beam quality, very high electrical efficiency, low maintenance expenses, and higher mobility due to fiber optics. As a result, fiber laser-arc hybrid process offers even more extended advantages and applications. However, the information about fiber or disk laser-arc hybrid welding is very limited. The objectives of the Master’s thesis are concentrated on the study of fiber laser-MAG hybrid welding parameters in order to understand resulting mechanical properties and quality of the welds. In this work only ferrous materials are reviewed. The qualitative methodological approach has been used to achieve the objectives. This study demonstrates that laser-arc hybrid welding is suitable for welding of many types, thicknesses and strength of steels with acceptable mechanical properties along very high productivity. New developments of the fiber laser-arc hybrid process offers extended capabilities over CO2 laser combined with the arc. This work can be used as guideline in hybrid welding technology with comprehensive study the effect of welding parameter on joint quality.

The effect of shielding gas feeding method in laser welding of steel

Gas shielding plays an important role in laser welding phenomena. This is because it does not only provide shielding against oxidization but it has an effect in beam absorption and thus welds penetration. The goal of this thesis is to study and compare the effects of different shielding gas feeding methods in laser welding of steel. Research method is a literature survey. It is found that the inclination angle and the arrangement of the gas feeding nozzles affect the phenomena significantly. It is suggested that by designing shielding gas feeding case specifically better welding results can be obtained.

Kattilan ja kanaviston eristykset 3D-laitossuunnitteluohjelmassa

Työn tavoitteena oli kehittää kanavistojen ja kattilan eristyksien mallintamista 3D-laitossuunitteluohjelmassa sekä siitä saatavia materiaalilistoja. Kanavistojen eristeitä kuvastavaa geometriaa muokattiin vastaamaan eristyksen todellista tilanvarausta. Kattilan eristyksen mallintaminen on aikaisemmin jouduttu tekemään manuaalisesti, työssä kehitettiin työkalu, jonka avulla eristysten materiaalitiedot ja oikeat tilanvaraukset saadaan lisättyä 3D-malliin. Kaikkia eristyksen mallintamista ei kuitenkaan pystytä mielekkäästi toteuttamaan automaattisesti työkalujen avulla, näitä kohteita ovat tukikehikkorakenteet kuten kattilan vinttikehikko. Lisäksi täytyi selvittää, mitä tietoja eristyksien materiaalimäärälistoille vaaditaan, ja kuinka nämä tiedot saataisiin listoihin mukaan. Jotta kaikki eristettävät kohteet saadaan tuotettaviin materiaalilistoihin, on ohjelmaan lisättävä käytettäväksi uusia komponentteja. Näitä ovat uudet kanavistojen osat sekä muun muassa venturit ja huoltoluukut kanavistoille. Kattilaan asennettavat laitteet kuten näkölasit ja polttimet vaativat tukirakenteen, joka samalla toimii kotelona putkistojen taivutuksille. Näitä kohteita on aikaisemmin tuotu vanhoista projekteista tai ne on tehty suunnittelijan toimesta uusiksi. Työssä esitettiin uusi tapa mallintaa kattilan pinnat, jolloin niihin voidaan liittää koteloita erillisestä komponenttikirjastosta. Kanavistojen eristyksien materiaalimäärälistojen tuottaminen suoraan ohjelmasta auto-matisoitiin. Kattilan ja siihen liittyvien eristyskehysrakenteiden listojen tuotanto kuitenkin vaatii yhteisten toimintamallien kehittämistä. Tämän työn uudet menetelmät mahdollistavat yhä uusien työkalujen kehittämisen, esimerkiksi automaattisen eristysten teknisten piirustusten kuvatuotannon tulevaisuudessa.

Laser cladding with scanning optics

Scanning optics create different types of phenomena and limitation to cladding process compared to cladding with static optics. This work concentrates on identifying and explaining the special features of laser cladding with scanning optics. Scanner optics changes cladding process energy input mechanics. Laser energy is introduced into the process through a relatively small laser spot which moves rapidly back and forth, distributing the energy to a relatively large area. The moving laser spot was noticed to cause dynamic movement in the melt pool. Due to different energy input mechanism scanner optic can make cladding process unstable if parameter selection is not done carefully. Especially laser beam intensity and scanning frequency have significant role in the process stability. The laser beam scanning frequency determines how long the laser beam affects with specific place local specific energy input. It was determined that if the scanning frequency in too low, under 40 Hz, scanned beam can start to vaporize material. The intensity in turn determines on how large package this energy is brought and if the intensity of the laser beam was too high, over 191 kW/cm2, laser beam started to vaporize material. If there was vapor formation noticed in the melt pool, the process starts to resample more laser alloying due to deep penetration of laser beam in to the substrate. Scanner optics enables more flexibility to the process than static optics. The numerical adjustment of scanning amplitude enables clad bead width adjustment. In turn scanner power modulation (where laser power is adjusted according to where the scanner is pointing) enables modification of clad bead cross-section geometry when laser power can be adjusted locally and thus affect how much laser beam melts material in each sector. Power modulation is also an important factor in terms of process stability. When a linear scanner is used, oscillating the scanning mirror causes a dwell time in scanning amplitude border area, where the scanning mirror changes the direction of movement. This can cause excessive energy input to this area which in turn can cause vaporization and process instability. This process instability can be avoided by decreasing energy in this region by power modulation. Powder feeding parameters have a significant role in terms of process stability. It was determined that with certain powder feeding parameter combinations powder cloud behavior became unstable, due to the vaporizing powder material in powder cloud. Mainly this was noticed, when either or both the scanning frequency or powder feeding gas flow was low or steep powder feeding angle was used. When powder material vaporization occurred, it created vapor flow, which prevented powder material to reach the melt pool and thus dilution increased. Also powder material vaporization was noticed to produce emission of light at wavelength range of visible light. This emission intensity was noticed to be correlated with the amount of vaporization in the powder cloud.

Sähkömagneettisen spektrin, lämpökameratiedustelun ja laser maalinosoituksen tuottama maauhka hälytyspaikka-alueelle

Tämä tutkimus käsittelee sähkömagneettista spektriä ja sen tuottamaa uhkaa lentotukikohdan hälytyspaikka-alue ympäristölle. Sähkömagneettinen spektri on käsitteenä ja uhkan tuottajana laaja käsite, joten tutkimuksessa keskitytään käsittelemään sähkömagneettista spektriä yleisesti uhkan tuottajana, sekä käsitellään sen kahta eri sovellutusta lasermaalinosoitusta ja lämpökameraa uhkan tuottajina tarkemmin. Lähtökohtana työlle on luoda lukijalle kuvasähkömagneettisen spektrin uhkien laajuudesta, tutkimalla itse spektrin ominaisuuksia ja käsittelemällä sen eri sovellutuksia, joihin kuuluu esimerkiksi elektroninen sodankäynti kokonaisuudessaan. Keskeisenä menetelmää tutkimuksessa on laadullinen kirjallisuustutkimus, hyödyntäen kirjallisuuslähteitä sekä sotilas- että siviililähteistä. Lähteet on pyritty valitsemaan siten, että niiden avulla voidaan muodostaa kokonaisvaltainen kuva itse sähkömagneettisesta spektristä, sen ominaisuuksista, laserin muodostamisen periaatteista, lämpökameran toiminnasta ja liittää nämä asiat hälytyspaikka-alueen uhkakuvaan. Yhteenvetona tutkimus on keskittynyt tuloksien valossa luomaan kuvan, kuinka laaja sähkömagneettisen spektrin tuottama uhka on, käsittäen itse spektrin laajuuden ja sovellutusten laajuuden tuottaman uhkakuvan, sekä tarkentaa miten lämpökamera toimii teknisesti tiedustelun välineenä. Lisäksi laser maalinosoitusta käsittelevä osio avaa lukijalle, miten lasersäteen muodostaminen tapahtuu, ja kuinka jopa 4-10km kantamaltaan olevalla lasersäteellä voi valaista maaleja kaukaakin. Johtopäätöksissä summataan yhteen uhkan laajuus, sekä perustellaan miten ja miksi sähkömagneettisen spektrin uhkilta voi suojautua. Spektrin tuottama uhkakuva on sen verran laaja ja kattava, että siltä täysin suojautuminen on mahdotonta, vaan uhkaa on pyrittävä minimoimaan.

Fabrication additive ou Impression 3D. Aperçus sur une variation terminographique

Materiaalia lisäävä valmistus eli 3D-tulostus on valmistusmenetelmä, jossa kappale tehdään 3D-mallin pohjalta materiaalikerroksia lisäämällä, käyttäen useita tekniikoita ja materiaaleja. Menetelmää sovelletaan useilla teollisuuden aloilla. Lisääviä valmistustekniikoita on kehitetty 1990-luvun alkupuolelta lähtien, ja ne monipuolistuvat jatkuvasti. Tässä pro gradu -tutkielmassa tutkitaan sovellusalan terminologian kehitystä vertailevilla menetelmillä ja luodaan kolmikielinen sanasto alan asiantuntijoille, joita edustaa Suomessa FIRPA ry. Sanaston kielet ovat englanti, ranska ja suomi. Terminologian tutkimus on perinteisesti keskittynyt sanastotyöhön ja käsiteanalyysiin, sen sijaan termihistorian tutkimus on ollut vähäisempää. Tässä työssä on tehty vertailevaa termitutkimusta sekä sanastotyön että termihistorian näkökulmista. Vertailutasoja ovat termien merkityksen muuttuminen, vertailu pivot-kielen suhteen ja kielikohtaisten ominaisuuksien tarkastelu termien muotoutumisessa. Tutkittavia asioita ovat sanastokäsitteiden väliset suhteet, synonyymien, varianttien ja uudissanojen moninaisuus, ja termien yleiskielistyminen. Samalla pohditaan muita termien muuttumiseen vaikuttavia syita. Tärkeimpänä lähteenä käytetään Wohlersin vuosiraportteja, jotka kuvaavat kattavasti koko teollisuudenalaa. Koska englannin pivot-vaikutus on voimakasta teknisillä aloilla, omankielisen terminologian kehittyminen vaatii tietoista terminologiatyötä ja aktiivista omankielisten termien käyttöä. Terminologian vakiintumista voidaan arvioida termivarianttien ja uudissanojen määristä, sekä termien yleiskielistymisestä. Terminologia muuttuu jatkuvasti toimialan kehittyessä ja vaatii säännöllistä päivittämistä. Termihistorian tunteminen tukee sanastotyön termivalintoja. Alan asiantuntijat ovat vastuussa omasta terminologiastaan, ja heidän aktiivisuutensa on tärkeää sen kehittämisessä. Toteutettu sanasto on tämän pro gradu -tutkielman liitteenä ja se julkaistaan myös FIRPA ry:n Internet-sivustolla. Suomenkielinen osio sanastosta on ensimmäinen laaja suomeksi julkaistu materiaalia lisäävän valmistuksen sanasto.

Fluvio-morphological processes of meander bends - Combining conventional field measurements, close-range remote sensing and computational modelling

Meandering rivers have been perceived to evolve rather similarly around the world independently of the location or size of the river. Despite the many consistent processes and characteristics they have also been noted to show complex and unique sets of fluviomorphological processes in which local factors play important role. These complex interactions of flow and morphology affect notably the development of the river. Comprehensive and fundamental field, flume and theoretically based studies of fluviomorphological processes in meandering rivers have been carried out especially during the latter part of the 20th century. However, as these studies have been carried out with traditional field measurements techniques their spatial and temporal resolution is not competitive to the level achievable today. The hypothesis of this study is that, by exploiting e increased spatial and temporal resolution of the data, achieved by combining conventional field measurements with a range of modern technologies, will provide new insights to the spatial patterns of the flow-sediment interaction in meandering streams, which have perceived to show notable variation in space and time. This thesis shows how the modern technologies can be combined to derive very high spatial and temporal resolution data on fluvio-morphological processes over meander bends. The flow structure over the bends is recorded in situ using acoustic Doppler current profiler (ADCP) and the spatial and temporal resolution of the flow data is enhanced using 2D and 3D CFD over various meander bends. The CFD are also exploited to simulate sediment transport. Multi-temporal terrestrial laser scanning (TLS), mobile laser scanning (MLS) and echo sounding data are used to measure the flow-based changes and formations over meander bends and to build the computational models. The spatial patterns of erosion and deposition over meander bends are analysed relative to the measured and modelled flow field and sediment transport. The results are compared with the classic theories of the processes in meander bends. Mainly, the results of this study follow well the existing theories and results of previous studies. However, some new insights regarding to the spatial and temporal patterns of the flow-sediment interaction in a natural sand-bed meander bend are provided. The results of this study show the advantages of the rapid and detailed measurements techniques and the achieved spatial and temporal resolution provided by CFD, unachievable with field measurements. The thesis also discusses the limitations which remain in the measurement and modelling methods and in understanding of fluvial geomorphology of meander bends. Further, the hydro- and morphodynamic models’ sensitivity to user-defined parameters is tested, and the modelling results are assessed against detailed field measurement. The study is implemented in the meandering sub-Arctic Pulmanki River in Finland. The river is unregulated and sand-bed and major morphological changes occur annually on the meander point bars, which are inundated only during the snow-melt-induced spring floods. The outcome of this study applies to sandbed meandering rivers in regions where normally one significant flood event occurs annually, such as Arctic areas with snow-melt induced spring floods, and where the point bars of the meander bends are inundated only during the flood events.

3D-tulostustekniikan hyödyntäminen diagnostisten pikatestien tuotekehityksessä

Pikamallinnustekniikat ovat kehittyneet viime vuosina nopeasti. Tämä antaa jo lähes rajat-tomat mahdollisuudet tuottaa 3D-tulostamalla erilaisia tuotteita. 3D-tulostuksen hyödyntä-minen on yleistynyt erityisesti teollisuuden ja teknologian aloilla. Tässä työssä tutkittiin miten 3D-tulostamista voidaan hyödyntää diagnostisten pikatestien tuotekehityksessä. Immunologinen lateral flow-testi on vasta-aineisiin perustuva, nopea ja helppokäyttöinen mittausmenetelmä pienten ainemäärien havaitsemiseen. Tässä työssä kehitettiin lateral flow-testikotelo, jonka suunnitteluun ja rakenteen mallintamiseen käytettiin 3D-tulostustekniikkaa. Testikotelon toimivuus lateral flow- testissä varmistettiin kehittämällä testikoteloon sopiva pikatesti, jonka suorituskykyä analysoitiin sekä visuaalisesti että Actim 1ngeni-lukulaitteella. Työ aloitettiin tutkimalla eri pikavalmistustekniikoita, joista testikotelon tulostamiseen valittiin SLA-tekniikka sen tulostustarkkuuden ja tuotteen pinnan laadun perusteella. Testikotelon suunnittelu aloitettiin määrittämällä millaisia ominaisuuksia testikotelolta haluttiin. Näitä ominaisuuksia olivat lateral flow-testin suojaaminen sekä testissä kulkevan näytteen virtauksen varmistamien. Lateral flow- testin kehityksessä hyödynnettiin osin aiemmin kehitetystä pikatestistä saatuja tietoja. Lateral flow- kasettitestin valmistusprosessi koostui seitsemästä eri prosessivaiheesta jotka olivat: Vasta-aineen/kontrollireagenssin konjugointi, näytetyynyn käsittely, konjugointityynyn käsittely, konjugointityynylle annostelu, membraanille annostelu, tikkujen laminointi ja leikkaus sekä kasettitestin kokoonpano. Kehitetyn lateral flow- kasettitestin toimivuus varmistettiin tutkimalla testin reaktiokinetiikkaa ja analyyttistä herkkyyttä sekä visuaalisesti että lukulaitteen avulla. Tutkimustulosten perusteella 3D-tulostus on erittäin hyödyllinen menetelmä pikatestien tuotekehityksessä suunniteltaessa testikotelorakenteita, näytteen annosteluvälineitä ja näiden yhdistelmiä.

Remote sensing for three-dimensional modelling of hydromorphology

Successful management of rivers requires an understanding of the fluvial processes that govern them. This, in turn cannot be achieved without a means of quantifying their geomorphology and hydrology and the spatio-temporal interactions between them, that is, their hydromorphology. For a long time, it has been laborious and time-consuming to measure river topography, especially in the submerged part of the channel. The measurement of the flow field has been challenging as well, and hence, such measurements have long been sparse in natural environments. Technological advancements in the field of remote sensing in the recent years have opened up new possibilities for capturing synoptic information on river environments. This thesis presents new developments in fluvial remote sensing of both topography and water flow. A set of close-range remote sensing methods is employed to eventually construct a high-resolution unified empirical hydromorphological model, that is, river channel and floodplain topography and three-dimensional areal flow field. Empirical as well as hydraulic theory-based optical remote sensing methods are tested and evaluated using normal colour aerial photographs and sonar calibration and reference measurements on a rocky-bed sub-Arctic river. The empirical optical bathymetry model is developed further by the introduction of a deep-water radiance parameter estimation algorithm that extends the field of application of the model to shallow streams. The effect of this parameter on the model is also assessed in a study of a sandy-bed sub-Arctic river using close-range high-resolution aerial photography, presenting one of the first examples of fluvial bathymetry modelling from unmanned aerial vehicles (UAV). Further close-range remote sensing methods are added to complete the topography integrating the river bed with the floodplain to create a seamless high-resolution topography. Boat- cart- and backpack-based mobile laser scanning (MLS) are used to measure the topography of the dry part of the channel at a high resolution and accuracy. Multitemporal MLS is evaluated along with UAV-based photogrammetry against terrestrial laser scanning reference data and merged with UAV-based bathymetry to create a two-year series of seamless digital terrain models. These allow the evaluation of the methodology for conducting high-resolution change analysis of the entire channel. The remote sensing based model of hydromorphology is completed by a new methodology for mapping the flow field in 3D. An acoustic Doppler current profiler (ADCP) is deployed on a remote-controlled boat with a survey-grade global navigation satellite system (GNSS) receiver, allowing the positioning of the areally sampled 3D flow vectors in 3D space as a point cloud and its interpolation into a 3D matrix allows a quantitative volumetric flow analysis. Multitemporal areal 3D flow field data show the evolution of the flow field during a snow-melt flood event. The combination of the underwater and dry topography with the flow field yields a compete model of river hydromorphology at the reach scale.

Laser scribing of thin-film PV modules

This study is a literature review on laser scribing in monolithically interconnected thin-film PV modules, focusing on efficiency of modules based on absorber materials CIGS, CdTe and a-Si. In thin-film PV module manufacturing scribing is used to interconnect individual cells monolithically by P1, P2 and P3 scribes. Laser scribing has several advantages compared to mechanical scribing for this purpose. However, laser scribing of thin-films can be a challenging process and may induce efficiency reducing defects. Some of these defects can be avoided by improving optimisation or processing methods.

Sulautetun ohjausjärjestelmän kehittäminen 3D-tulostimelle

Kandidaatintyössä tutkittiin Adam Klodowskin tutkimuksessa käytetyn menetelmän soveltuvuutta 3D-tulostimen mekanismiin. Tutkimustyö liittyy RepRap-projektiin, jonka tavoitteena on valmistaa 3D-tulostin 3D-tulostetuista osista. Mekaniikasta oli luotu matemaattinen malli, jota tutkittiin simuloinnin avulla. Työssä toteutettiin täysin yksilöity sulautettu ohjausjärjestelmä kyseiselle mekanismille ja tutkittiin järjestelmän soveltuvuutta käytäntöön. Tavoitteena oli vähentää komponenttien lukumäärää ja pienentää laitteiston vaatimaa tilaa.

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.