Lujien hitsattavien terästen käyttäytyminen -60 °C:ssa

Opinnäytetyö on osa Arctic Materials Technologies Development -projektia, jonka tavoitteena on kehittää perusteita arktisten alueiden sovelluksiin suunnittelun ja valmistuksen kannalta. Arktisella alueella sijaitsee useita potentiaalisia öljy- ja maakaasuesiintymiä, joiden hyödyn-täminen tulee vuosi vuodelta kannattavammaksi ilmaston lämpenemisestä johtuvan merijään heikkenemisen vuoksi. Alin suunnittelulämpötila arktisilla alueilla on -60 °C, mikä aiheuttaa haasteita sekä materiaalinvalinnalle että hitsaukselle. Ferriittisillä teräksillä esiintyy lämpötilasta riippuvaa sitkeyden vaihtelua, jota kutsutaan transi-tiokäyttäytymiseksi. Lämpötilan laskiessa teräksen iskusitkeys sekä murtumissitkeys laske-vat. Arktisissa sovelluskohteissa käytetään yleisesti niukkaseosteisia, mikroseostettuja hie-noraeteräksiä, joille on ominaista erinomaiset sitkeys-, lujuus- sekä hitsattavuusominaisuudet vaativissakin olosuhteissa. Lujat termomekaanisesti valssatut ja nuorrutetut hienoraeteräkset kattavat myötölujuusluokat 355…700 MPa. Tutkimuksissa on saatu vaihtelevia tuloksia ma-teriaalien isku- ja murtumissitkeydestä -60 °C:ssa. Erityisesti sitkeysominaisuudet hitsiaineen ja muutosvyöhykkeen alueiden välillä ovat vaihtelevia. Pienemmällä lämmöntuonnilla ja seostetuilla lisäaineilla saavutetaan kuitenkin pääsääntöisesti parempia sitkeysarvoja. Asiku-laarinen ferriitti sekä alabainiitti ovat toivottavia mikrorakenteita liitoksessa, niiden pienen raekoon johdosta.

Hitsaustuotannon tehostaminen mekanisoinnin keinoin

Mekanisoinnin ja automaation osuuden lisääminen hitsaustuotannossa on eräs keino hitsaavan teollisuuden kilpailukyvyn tehostamiseksi. Tässä työssä tutkittiin hitsaustyön tehostamista mekanisoinnin keinoin. Työ tehtiin Rämö Oy:n konepajalla Imatralla, todellisia tuotantokappaleita vastaavilla koekappaleilla. Teoriaosuudessa on läpikäyty hitsauksen mekanisointia, kappaleenkäsittelyä ja erilaisia hitsausprosesseja. Osuudessa on käsitelty myös mekanisoidun hitsauksen laatua ja laadunvarmistusta. Kohdeyrityksen tuotannon nykytilanteen kartoitus on esitetty tässä osuudessa. Käytännön osuudessa on käsitelty hitsauskokeiden suoritus, kokeiden tulokset sekä niiden analysointi. Tuloksista voidaan todeta kevytmekanisoinnin olevan kustannustehokas keino hitsaustyön tehokkuuden sekä laadun parantamiseksi. Työn tuloksia tullaan käyttämään hyödyksi kehitettäessä hitsaavaa tuotantoa Rämö Oy:ssä.

Sähkögeneraattoriosien hitsauksen tuottavuuden kehittäminen

Hitsauksen tuottavuuteen vaikuttavat hitsausmäärä, käytetyt prosessit ja laatu. Työn teoriaosuudessa tutustutaan hitsauksen tuottavuuteen sekä suunnittelullisesta että valmistuksellisesta näkökulmasta. Hitsauksen laadulliset asiat, kuten laatustandardit ja vaatimukset käydään läpi keskittyen standardin SFS-EN ISO 3834 kattaviin laatuvaatimuksiin. Rikkomaton ja rikkova aineenkoetus ja yleisimmät hitsausvirheet esitetään yleisellä tasolla. Hitsausprosesseista esitetään MIG/MAG- ja MAG-täytelankahitsauksen sekä pulssihitsauksen perusteet. Tässä diplomityössä tutkitaan pulssihitsauksen soveltuvuutta sähkögeneraattorin staattoripaketin eripariliitoksen hitsaukseen ja kykyä parantaa sekä tuottavuutta että laatua. Tutkimus perustuu koehitsauksiin ja niiden perusteella tehtyihin johtopäätöksiin. Lisäksi pohditaan sisätuulettimien hitsauksen kehittämistä ja annetaan kehitysehdotus valmistusprosessista. Koehitsauksien perusteella pulssihitsaus on hyvä prosessiparannus staattoripakettien hitsaukseen. Kohdistettu valokaari ja alhaisempi lämmöntuonti verrattuna perinteiseen MAG-hitsaukseen sekä hitsauksen yksinkertaisuus tuovat etuja eripariliitoksen hitsauksen laatuun. Kustannuslaskelmien myötä hitsausprosessin muutoksen odotetaan tuovan kustannussäästöjä. Hitsauslaadun parantuessa ja jälkityöstön määrän vähentyessä hitsausprosessin muutos on kannattava.

Hitsauksen lämpökäsittelyn vaikutus CrMo - terästen mekaanisiin ominaisuuksiin

Diplomityössä selvitettiin lujuusomaisuuksien muuttumista toimitustilassa olevilla ja hitsatuilla The American Society of Mechanical Engineering (ASME) SA335 P22 ja P5 teräksillä, kun hitsauksen lämpökäsittelylämpötila oli suurempi kuin materiaalin valmistuksen aikainen päästölämpötila. Diplomityön perusteella ei pystytä yksiselitteisesti todentamaan tai kumoamaan standardeissa ASME SA335: 2008a, ASME B31.3: 2010 ja SFS-EN 13445: 2009 esitettyjä varoituksia materiaalien mekaanisten ominaisuuksien huononemisesta, jos hitsien jälkilämpökäsittely ylittää materiaalien päästölämpötilan. Veto-, kovuus- ja iskukoetestitulosten perusteella todennettiin kuitenkin, ettei lämpökäsittely lämpötila-alueella 710–760 oC vaikuta suuresti materiaalien mekaanisiin ominaisuuksiin. Tuloksien perusteella todettiin myös, että koemateriaalivalikoima ja tehdyt testisarjat olivat suppeahkoja tarkkojen hankinta- ja valmistuskriteerien määrittämiseksi.

Kasanpurkaimen portaalin teknistaloudellinen tarkastelu

Tämä diplomityö on tehty kansainväliseen materiaalinkäsittelyjärjestelmiä toimittavaan yritykseen. Menestyvän yrityksen on pyrittävä kustannustehokkuuden jatkuvaan parantamiseen. Tässä diplomityössä on tutkittu kannattaako kasanpurkaimen portaali valmistaa ristikkorakenteena levyrakenteeseen verrattuna. Tutkimukseen on sisällytetty koko toimitusketju suunnittelusta asennukseen, mutta lujuuslaskennan on suorittanut ulkopuolinen alihankkija. Yrityksen projektissa toimitettiin samaan aikaan purkainta, jonka portaali valmistettiin levyrakenteena. Tätä portaalia on käytetty uuden ristikkorakenteisen portaalin vertailukohtana. Ristikkorakenteinen portaali on suunniteltu putkipalkkirakenteena, jolloin siitä saatiin kevyempi. Suunnittelussa on pyritty huomioimaan valmistusystävällisen suunnittelun näkökohtia, joita esitellään työn teoriaosassa. Ristikkorakenteesta on tehty myös tarjouskuvat, joiden pohjalta valmistustarjoukset on pyydetty. Valmistuskustannusten lisäksi tarkemmassa tarkastelussa ovat suunnittelu- ja laskentakustannukset.

Laser-TIG–hybridihitsauksen soveltuvuustutkimus

Tässä tutkimuksessa selvitetään ilman hitsauslisäainetta tapahtuvan laser–TIG–hybridihitsausprosessin soveltuvuus 6 mm ja 8 mm paksujen päittäisliitettyjen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsaukseen. Hitsien tarkastelussa huomio kiinnitetään hitsausnopeuteen, hitsien tunkeumaan, liittämistehokkuuteen, hitsien kovuuteen ja hitsausliitoksen ulkonäköön. Muita tutkittavia asioita ovat laser-TIG-hybridihitsattujen levyjen muodonmuutokset ja suuresta hitsausnopeudesta sekä pienestä t8/5 jäähtymisajasta johtuvat mahdolliset kylmähalkeamat. Laser-TIG-hybridihitsejä verrataan robotti-MAG- ja käsin MAG-hitseihin sekä kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 hitsiluokkien mukaisiin raja-arvoihin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessissa TIG-valokaari mahdollistaa tasaisen ja lähes roiskeettoman hitsin ja lasersäde aikaansaa syvän tunkeuman sekä tasalaatuisen juurihitsin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla 6 mm paksut S355 K2 rakenneteräslevyt on mahdollista hitsata levyn yhdeltä puolelta kerralla valmiiksi. Paksummat 8 mm levyt voidaan hitsata levyn yhdeltä tai molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla hitsatut hitsit ovat hyvin siistejä ja lähes roiskeettomia. Verrattaessa laser-TIG-hybridihitsausprosessia muihin hitsausprosesseihin sen voidaan todeta olevan erittäin kilpailukykyinen 6 mm paksujen päittäisliitettyjen rakenneterästen hitsaamisessa, mutta se soveltuu myös 8 mm paksujen rakenneterästen hitsaamiseen. Tutkitut hitsit täyttävät kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 B- ja D-hitsiluokkien mukaiset raja-arvot. Vertailukokeet 6 mm paksulla S355 rakenneteräksellä osoittavat, että yhdeltä puolelta suoritettavan laser-TIG-hybridihitsauksen hitsausnopeus on robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna yli nelinkertainen ja MAG-käsinhitsaukseen verrattuna yli viisinkertainen. Laser-TIG-hybridihitsauksessa liittämistehokkuus on noin viisinkertainen robotti-MAGhitsaukseen verrattuna. Molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella voidaan 8 mm paksulla S355 rakenneteräksellä saavuttaa noin kolminkertainen hitsausnopeus ja liittämistehokkuus robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna. Laser-TIG-hybridihitsauksessa TIG-kaaren tuoman lisälämmön ansiosta suurillakin hitsausnopeuksilla (1 m/min) voidaan saavuttaa edulliset kovuusarvot. Kovuusmittausten tulosten perusteella 6 mm ja 8 mm paksujen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsit eivät ylittäneet kaarihitsausstandardin määrittelemää 350 HV kovuuden enimmäisrajaa. Laser-TIG-hybridihitsauksen edullisesta lämmöntuonnista johtuen levyjen pituus- ja poikittaissuuntaiset muodonmuutokset ovat noin 80 prosenttia pienemmät kuin käsin suoritettavassa MAG-hitsauksessa. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla käytetään I-railoa, mutta robotti-MAG- ja käsin MAG-hitsausprosesseilla joudutaan käyttämään V-railoa, jolloin lämmöntuonti ja siitä johtuvat muodonmuutokset ovat suuremmat. Korkea liittämistehokkuus ja edullinen lämmöntuonti merkitsevät vähäisempiä muodonmuutoksia ja siten merkittäviä säästöjä työ-, materiaali- ja energiakustannuksissa. 8 mm ja sitä paksummilla S355 rakenneteräksillä levyn yhdeltä puolelta suoritettava päittäisliitoksen hitsaaminen on laser-TIG hybridihitsauksella haastavaa, koska yli 200 A:n TIG-kaarivirralla suuri metallisula aiheuttaa avaimenreiän sulkeutumisen ja avaimenreiän alaosaan muodostuu kaasukuplia. Tästä voidaan tehdä sellainen johtopäätös, että päittäisliitettävien levyjen ilmarakoa pitäisi kasvattaa niin suureksi, että avaimenreiän sulavirtaus ei pääse estymään. Yli 0,25 mm:n ilmarako edellyttää lasersäteen vaaputusta tai säteen halkaisijan kasvattamista. Ilmaraon kasvattaminen edellyttää myös lisäaineen käyttöä. Tutkimustulosten perusteella laser-TIG-hybridihitsausprosessilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja ja kustannussäästöjä, joten sen hyödyntämistä kannattaa harkita 8 mm ja sitä ohuempien päittäisliitettävien tuotteiden konepaja- ja tehdastuotannossa. Laser-TIGhybridihitsausprosessi soveltuu esimerkiksi seuraavien tuotteiden hitsaamiseen: päittäisliitettävät levyt, palkit, koneenosat, putket, säiliöt ja erilaiset pyörähdyskappaleet.

Lean, Six Sigma ja Total Welding Management hitsaavassa verkostossa

Diplomityössä tarkastellaan hitsaavan verkoston laadunhallintaa ja siinä ilmeneviä erilaisia ongelmakohtia. Tämän lisäksi työssä tarkastellaan kolmen eri laatutyökalun Lean, Six Sigma ja Total Welding Management soveltamista hitsaavan verkoston laadunhallinnassa. Teoriaosassa käsitellään sekä yleisesti että hitsauksen osalta laatua ja laadunhallintaa, sekä edellä mainittuja laatutyökaluja. Tutkimusosaan tietoja hitsaavista verkostoista kerättiin kaikkiaan kolmesta eri verkostosta. Näiden kerättyjen tietojen pohjalta tarkasteltiin valittujen laatutyökalujen soveltuvuutta verkostomaiseen käyttöön. Verkostoitunut toiminta aiheuttaa monia uusia haasteita yritysten laadunhallinnalle verrattuna yksittäisiin hitsaaviin yrityksiin. Suurimpia tutkimuksessa havaittuja ongelmakohtia ovat suunnittelun ja valmistuksen yhteistyön erilaiset puutteet, laatutasoon ja sen varmistukseen liittyvät asiat, sekä verkoston sisälle syntyvä niin sanottu hiljainen tieto ja sen häviäminen. Tutkimuksen tarkastelujen perusteella havaittiin, että kaikkien tutkimukseen valitun kolmen laatutyökalun soveltaminen myös verkostomaisessa toiminnassa on mahdollista, mutta se vaatii huomattavasti suurempaa työpanosta kuin soveltaminen yksittäisessä yrityksessä. Myös näiden kaikkien kolmen työkalun yhtä aikainen käyttö on mahdollista. Juuri oikean työkalun valitseminen kullekin hitsaavalle verkostolle vaatii tarkkaa perehtymistä verkostoon ja sen tilanteeseen.

Modifioidulla prosessilla varustetun MAG-pulssihitsauksen ja MAG-lyhytkaarihitsauksen vertailu

Tässä kandidaatintyössä keskitytään vertaamaan WiseFusion-toiminnolla varustettua MAG-pulssihitsausta MAG-yhytkaarihitsaukseen. Hitsattavana sovelluksena on pystypienahitsaus suuntana alhaalta ylöspäin (PF) käyttäen yhtä palkoa. Kummallakin prosessilla hitsataan yksi kappale 4 mm ja yksi 6 mm nimellisellä a-mitalla ilman hitsausprosessin mekanisointia. Tämän jälkeen verrataan näiden kahden prosessin tuottavuutta, lämmöntuontia ja hitsausnopeutta. Lisäksi tutkitaan hitsin laatua silmämääräisellä tarkastamisella. Tunkeumaa tarkastellaan makrohieiden ja murtokokeen avulla.

Puristussylinterien valmistuksen kehittäminen

Tässä diplomityössä kehitettiin yksitoimisten puristussylinterien valmistusta Rautessa. Sylinterien valmistuksessa haastavin vaihe on sylinteriputken ja pohjan välinen hitsaus. Hitsauksen avuksi suunniteltiin sylinterin sisäpuolinen juuritukilaite. Hitsauskokeita suoritettiin hitsin pohjan jauhekaarihitsaukselle ja MAG-hitsaukselle. Juuritukilaitteen toimivuutta testattiin koehitsauksilla. Puristussylinterien materiaali on S355J2-terästä, jonka ainevahvuus on 20 – 60 mm. Paksujen rakenneterästen hitsauksessa täytyy ottaa huomioon hitsausliitoksen mekaanisten ominaisuuksien muuttuminen sekä eri halkeamien synty. Hitsauksen laatuun ja laadunhallintaan voidaan vaikuttaa monien eri tekijöiden avulla. Hitsausohjeen avulla, ja muut laatutekijät huomioiden, voidaan hitseille asetetut laatukriteerit täyttää. Juurituen käyttö nopeuttaa puristussylinterien hitsausta vähintään 50 %. Jauhekaarihitsaus kuparista juuritukea vasten synnyttää vaikeasti poistettavan kuonan juuren puolelle. Perinteinen MAG-hitsaus kuparista juuritukea vasten sisältää liian monta muuttujaa, mikä tekee siitä epäluotettavan pohjapalon hitsaukseen. Työssä suunnitellun juuritukilaitteen käyttö tuotannossa vaatii lisää hitsauskokeita.

Hitsattavan konstruktion laadun ja rakenteen kehittäminen lyöntipaalutuskoneessa

Työn tavoitteena oli Junttan Oy:n valmistaman lyöntipaalutuskoneeseen kuuluvan tärkeän konstruktion, peruskeilin, laadun ja rakenteen kehittäminen. Työ tehtiin osana Tekesin ja usean yrityksen rahoittamaa HitNet-projektia (Hitsaavan teollisuuden hankintatoimen ja toimitusketjun tehostaminen). Peruskeiliä tutkittiin seuraamalla sen valmistusta Junttan Oy:n omassa tuotannossa sekä alihankintayrityksissä. Ongelmana peruskeilin suunnittelussa ja valmistuksessa olivat hyvin tarkat toleranssirajat sen liukupinnoille. Suurimmat ongelmat syntyivät hitsaamisen tuoman suuren lämmöntuonnin aiheuttamien muodonmuutosten ja särmäyksestä johtuvan takaisinjouston yhteydessä. Näihin ongelmiin pyrittiin kehittämään ratkaisuja peruskeilin rakennetta muuttamalla, Total Welding Management -laatutyökalua hyödyntämällä sekä hitsaustoimintaa ja särmäystä kehittämällä. Peruskeilin suunnittelussa ja valmistuksessa havaittujen ongelmien perusteella kehitettiin useita ratkaisuja, joista yksi otettiin käyttöön ja siitä valmistetaan prototyyppi Junttan Oy:n omassa tuotannossa. Uuden mallin valmistuessa päätetään tuleeko siitä korvaaja edeltäjälleen vai testataanko vielä muita kehitysideoita.