The effects of real time control of welding parameters on weld quality in plasma arc keyhole welding

Joints intended for welding frequently show variations in geometry and position, for which it is unfortunately not possible to apply a single set of operating parameters to ensure constant quality. The cause of this difficulty lies in a number of factors, including inaccurate joint preparation and joint fit up, tack welds, as well as thermal distortion of the workpiece. In plasma arc keyhole welding of butt joints, deviations in the gap width may cause weld defects such as an incomplete weld bead, excessive penetration and burn through. Manual adjustment of welding parameters to compensate for variations in the gap width is very difficult, and unsatisfactory weld quality is often obtained. In this study a control system for plasma arc keyhole welding has been developed and used to study the effects of the real time control of welding parameters on gap tolerance during welding of austenitic stainless steel AISI 304L. The welding tests demonstrated the beneficial effect of real time control on weld quality. Compared with welding using constant parameters, the maximum tolerable gap width with an acceptable weld quality was 47% higher when using the real time controlled parameters for a plate thickness of 5 mm. In addition, burn through occurred with significantly larger gap widths when parameters were controlled in real time. Increased gap tolerance enables joints to be prepared and fit up less accurately, saving time and preparation costs for welding. In addition to the control system, a novel technique for back face monitoring is described in this study. The test results showed that the technique could be successfully applied for penetration monitoring when welding non magnetic materials. The results also imply that it is possible to measure the dimensions of the plasma efflux or weld root, and use this information in a feedback control system and, thus, maintain the required weld quality.

Computational studies of deformation in stainless steel rings due to torch heating

A support ring of AISI 304L stainless steel that holds vertical, parallel wires arranged in a circle forming a cylinder is studied. The wires are attached to the ring with heat-induced shrinkage. When the ring is heated with a torch the heat affected zone tries to expand while the adjacent cool structure obstructs the expansion causing upsetting. During cooling, the ring shrinks smaller than its original size clamping the wires. The most important requirement for the ring is that it should be as round as possible and the deformations should occur as overall shrinkage in the ring diameter. A three-dimensional nonlinear transient sequential thermo-structural Abaqus model is used together with a Fortran code that enters the heat flux to each affected element. The local and overall deformations in one ring inflicted by the heating are studied with a small amount of inspection on residual stresses. A variety of different cases are chosen to be studied with the model constructed to provide directional knowledge; torch flux with the means of speed, location of the wires, heating location and structural factors. The decrease of heating speed increases heat flux that rises the temperature increasing shrinkage. In a single progressive heating uneven distribution of shrinkage appears to the start/end region that can be partially fixed with using speeded heating’s to strengthen the heating of that region. Location of the wires affect greatly to the caused shrinkage unlike heating location. The ring structure affects also greatly to the shrinkage; smaller diameter, bigger ring height, thinner thickness and greater number of wires increase shrinkage.

Lämmöntalteenotto kosteasta poistoilmasta prosessiteollisuudessa

Tämän diplomityön päämääränä on tehdä prosessiteollisuuden tarpeisiin Excel-taulukkolaskentaohjelmassa toimiva putkilämmönsiirtimen mitoitusohjelma. Prosessiteollisuudessa lämmönvaihtimien toimintaympäristöt ja olosuhteet vaihtelevat merkittävästi ja niinpä jokaisen vaihtimen suunnittelu ja mitoitus on toteutettava tapauskohtaisesti. Työssä käsitellään rekuperatiivisen ristivirtaputkilämmönvaihtimen yleinen lämpötekninen mitoitus sisältäen putken sisäpinnalle tapahtuvan mahdollisen lauhtumisen. Mitoitettava vaihdinkoostuu pystysuorista putkista, joissa lämmin ja kostea ilma virtaa putkien sisäpuolella ja kylmä kuiva ilma vaippapuolella vaakasuoraan. Vaihdinmateriaalina käytetään ruostumatonta AISI 304 -tai haponkestävää AISI 316 terästä. Kuuman ilman tila vaihtelee tarkasteltavan kohteen mukaan. Paperiteollisuuden kuivausyksiköiltä poistuva ilma on usein lämmintä ja kosteaa, ja infrakuivaimilta poistuva ilma on kuumaa. Mitoitettavalle lämmönvaihtimelle tulevan kuuman ilman lämpötila tapauksesta riippuen voi vaihdella 30°C, maksimissaan +300°C:een saakka, vesisisällön ollessa välillä 0,010...0,200 kg/kg ki tai jopa tämän ylikin. Vaihtimen mitoitus perustuu energiataseyhtälöiden käyttöön. Laskennassa määritetään vaihtimen pintalämpötila sekä mahdollinen kostean ilman lauhtuminen putken sisäpinnalle. Lisäksi teoria käsittää molempien virtausten tilanmuutosten laskennan. Työssä on esitetty esimerkkilaskelma, jossa on laskettu ilma- kostea ilma lämmönsiirrinkonstruktio. Esimerkissä on tarkasteltu vaihtimen hyötysuhdetta, virtausten lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä ulkoilman lämpötilan funktiona. Ohjelmasta saadaan tulostettua mitoitettavanvaihtimen dimensiot; putkien lukumäärät syvyys- ja pituussuunnassa sekä kokonaisputkilukumäärä, putkien väliset etäisyydet toisiinsa nähden sekä syvyys, että pituussuunnassa, putkipituus ja putken sisä- ja ulkohalkaisijat. Nämä tiedot suunnittelija itse syöttää ohjelmalle alkuarvoina. Laskettuna tietona ohjelma antaa molempien virtausten poistolämpötilat, kuuman ilman poistuvan absoluuttisen kosteuden, kondenssivesimäärän, vaihtimen tehon ja painehäviöt vaippa- ja putkipuolelle. Lisäksi ohjelma laskee kuuman ilman ominaisentalpiat vaihtimen sisään- ja ulostulossa. Tämä mahdollistaa ilman tilapisteiden piirtämisen Mollier-piirrokseen.

Ohutlevyn diodilaserhitsaus

Diplomityössä tutkitaan, miten diodilaserhitsauksen ominaisuuksia ja mahdollisuuksia voidaan hyödyntää teollisuuden käytännön sovellutuksissa. Työn alkuosassa esitelläändiodilaserin toimintaperiaatetta ja säteen muodostumista. Lisäksi työssä on esitetty laserin käyttöön liittyviä turvallisuusseikkoja. Hitsaukseen liittyviä teknisiä seikkoja on myös käyty läpi. Työn kokeellisessa osassa tutkitaan kylmävalssatun ja ruostumattoman teräksen hitsattavuutta eri liitosmuodoissa kuten päittäis-, laippa- ja päällekkäisliitoksissa. Hitsauskokeet suoritettiin eri paksuisille levyille. Tavoitteena oli löytää eri levymateriaaleille ja liitosmuodoille oikeat nopeus- ja tehoparametrit. Diodilaserkokeet suoritettiin käyttäen Hämeen ammattikorkeakoulun Riihimäen yksikön 2 kW:n tehoista diodilaserlaitteistoa. Koekappaleet olivat 100 x 200 mm kokoisia. Osalle hitsatuista kappaleista tehtiin vetokokeita ja mikrokovuuskokeita. Hitseille tehtiin silmämääräinen tarkastus ja lisäksi tutkittiin hitsejä mikroskooppikuvauksella. Koekappaleita hitsaamalla selvitettiin teho- ja nopeusparametrit. Hitsattaessa kylmävalssattuja levyjä muodostui hitsausvirheitä T- ja päittäisliitoksissa. Hitsausvirheet huomattiin, kun suoritettiin vetokokeita ja tehtiin hietä. Mutta yleensä kylmävalssattujen levyjen hitsaus onnistui moitteettomasti. Kun hitsaukset suoritettiin käyttämällä ruostumatonta terästä, hitsausvirheitä ei muodostunut, kuten kylmävalssattuihin levyihin. Ruostumattomien terästen hitsaus onnistui moitteettomasti. Tunkeuma molemmissa levytyypeissä oli hyvä. Todettiin, että levyt hitsautuivat yhteen hitsauksen alussa moitteettomasti, mutta loppuosa ei hitsautunut kunnolla, koska lämpötilanmuutos muokkasi levyjen muotoja.

Metallien laserporaus

Lasertarkkuusporauksella on tämän hetken teollisuudessa useita sovelluksia, kuten esimerkiksi mustesuihkukirjoittimet, dieselmoottoreiden polttoainesuuttimet, lääketieteen instrumentit, turbiinien lapojen jäähdytysreiät ja stensiilit. Tässä työssä on tutkittu laserporauksen mahdollisuuksia 99,9 % kupariin sekä EN 1.4301 ruostumattomaan teräkseen (vastaava AISI 304). Ainepaksuuksia oli käytettävissä kolmea: 0,1 mm, 0,5 mm ja 1,0 mm. Vertailun vuoksi valittiin tutkimukseen mukaan ainepaksuudeltaan 1,0 mm EN 1.4432 haponkestävää terästä (vastaava AISI 316L). Tutkimuksessa käytettiin kolmea eritehoista 1,064 µm aallonpituuden Nd:YAG – laseria ja yhtä CO2 – laseria. Poratut reiät kuvattiin elektronimikroskoopilla ja jokaisesta reiästä mitattiin halkaisija, ympyrämäisyys ja kartiokkuus. Lisäksi reiän laatua arvioitaessa tarkasteltiin purseen määrää reikien ympärillä. Tutkimus osoitti, että eri materiaaleihin voidaan porata, laserin säteen laadusta ja aallonpituudesta riippuen, hyvin erikokoisia reikiä. Kartiokkuuteen havaittiin voitavan vaikuttaa polttopisteen paikkaa siirtämällä.

Diodilaserin käytön edellytykset ohutlevyjen hitsauksessa

Diplomityössä tutkitaan diodilaserhitsausta mahdollisena teollisuuden menetelmänä ja menetelmän vaatimuksia hitsattaessa ohutlevyjä. Työssä tutkittavat materiaalit ovat kylmävalssattu teräs ja ruostumaton teräs sekä liitosmuotoina päittäis-, laippa- ja päällekkäisliitos. Materiaalivahvuudet ovat 0,50 mm:stä 1,50 mm:iin. Työn tavoitteena on määrittää näille kyseisille materiaaleille ja liitosmuodoille hitsausnopeus levynvahvuuden funktiona. Lisäksi käsitellään diodilaserin rakennetta, säteen muodostusta, säteen muokkaamista, säteen analysointia ja säteen turvallisuuteen liittyviä asioita. Suoritetaan vertailua käytössä oleviin muihin lasertyöstömenetelmiin konepajoissa ja tehdään arvio mahdollisen diodilaserinvestoinnin kannattavuudesta. Diodilaserhitsauskokeissa käytettiin Hämeen ammattikorkeakoulun Riihimäen yksikön 1 kW:n tehoista diodilaseria. Koekappaleet leikattiin suuntaisleikkurilla. Osalle hitsatuista kappaleista tehtiin poikittaiset vetokokeet ja mitattiin mikrokovuudet. Virheitä tutkittiin silmämääräisesti sekä radiografisella kuvauksella. Kaikille tutkituille liitoksille, materiaaleille ja vahvuuksille saatiin määriteltyä hitsausnopeudet. Tehtyjen testien perusteella suuntaisleikkurin käyttö on mahdollista. Lisäksi havaittiin suojakaasun käytön myötä, että kirkkaan sulan aiheuttama heijastavuuden kasvu edellyttää hitsausnopeuden pienentämistä.

Kulutus- korroosionkestävien materiaalien laserpinnoitus

Diplomityössä tutkitaan kulutus- ja korrosionkestävien materiaalien laserpinnoitusta. Laserpinnoituksessa sulatetaan uutta materiaalia työkappaleen pintaan lasersäteen avulla. Tarkoituksena on yleensä parantaa pinnan korroosion, kulumisen tai pintapaineen kestävyyttä. Laserpinnoitukseen liittyy useita etuja verrattuna konventionaalisiin päällehitsausprosesseihin. Työssä tutkittavat pinnoitemateriaalit ovat kobolttipohjaiset Stellite 1 ja Stellite 6, työkaluteräkset WR 4 ja WR 6 sekä metallimatriisikomposiitti Anval50/50+30 % Cr3C2. Pinnoitettavat perusaineet ovat hiiliteräs Fe 52, ruostumaton teräs AISI 316 ja valurauta GRP 500. Työn tavoitteena on löytää kunkin pinnoite/perusaine-yhdistelmän pinnoitusparametrit. Pinnoituskokeissa käytettiin LTKK:n 6 kW:n CO2-laseria. Pinnoitetuille koekappeleille tehtiin kovuusmittaukset ja kulutuskokeet. Pinnoitteiden mikrorakenteet analysoitiin ja sekoittumisasteet laskettiin. Virheitä tutkittiin silmämääräisesti sekä radiografisella kuvauksella. Optimiparametreja pinnoitemateriaaleille ei löydetty. Pinnoitteiden sekoittumisasteet muodostuivat suuriksi liiallisen lasertehon ja/tai huonon lisäaineen kohdistuksen vuoksi. Suuri sekoittuminen alensi pinnoitteiden kovuutta ja kulumiskestävyyttä. Pinnoitusparametreja arvioidaan koetulosten perusteella ja niille annetaan korjausehdotuksia. Lopuksi esitetään suosituksia tutkimusprojektin jatkotoimille.

Potkurilaitteen ohjausputken laserpinnoitus

Laserpinnoitus on additiivinen prosessi, jossa lasertehon avulla sulatetaan pinnoitusainetta pinnoitettavan kappaleen pintaan. Laserpinnoituksella on mahdollista aikaansaada tiivis sekä kova, kulutusta ja korroosiota kestävä pinnoite kappaleen pintaan. Tässä työssä kohteena oli potkurilaitteen ohjausputken laserpinnoitus. Kyseisessä kohteessa pinnoitteelta vaaditaan hyvää korroosion- ja kulumisen kestoa. Työn tavoitteena oli lisätä tietoisuutta laserpinnoitusprosessista ja siinä vaikuttavista tekijöistä. Myös materiaaliominaisuuksien vaikutuksia sekä pinnoitus- että pinnoitettavien aineiden osalta selvitettiin. Työhön sisältyi myös kokeellinen osuus, jossa tavoitteena oli löytää kustannustehokkain pinnoiteaine tutkittuun kohteeseen. Kokeissa ohjausputki- sekä levyaihioon tehtiin koepinnoituksia. Kokeiden ja edelleen materiaalitutkimuksien avulla tutkittiin neljää eri pinnoitusainetta, jotka olivat Stellitti 21, Inconel 625, AISI 316L ja AISI 431. Kovuus- ja taivutuskokeiden perusteella kyseisistä aineista vain Stelliitti 21 täytti ohjausputken pinnoitteelle asetetut vaatimukset. Näin ollen Stelliitti 21 valikoitui kustannustehokkaimmaksi pinnoitusaineeksi ohjausputkien laserpinnoitukseen.

Corrosion behaviour of boiler tube materials during combustion of fuels containing Zn and Pb

Många förbränningsanläggningar som bränner utmanande bränslen såsom restfraktioner och avfall råkar ut för problem med ökad korrosion på överhettare och/eller vattenväggar pga. komponenter i bränslena som är korrosiva. För att minimera problemen i avfallseldade pannor hålls ångparametrarna på en relativt låg nivå, vilket drastiskt minskar energiproduktionen. Beläggningarna i avfallseldade pannor består till största delen av element som är förknippade med högtemperaturkorrosion: Cl, S, alkalimetaller, främst K och Na, och tungmetaller som Pb och Zn, och det finns också indikationer av Br-förekomst. Det låga ångtrycket i avfallseldade pannor påverkar också stålrörens temperatur i pannväggarna i eldstaden. I dagens läge hålls temperaturen normalt vid 300-400 °C. Alkalikloridorsakad (KCl, NaCl) högtemperaturkorrosion har inte rapporterats vara relevant vid såpass låga temperaturer, men närvaro av Zn- och Pb-komponenter i beläggningarna har påvisats förorsaka ökad korrosion redan vid 300-400 °C. Vid förbränning kan Zn och Pb reagera med S och Cl och bilda klorider och sulfater i rökgaserna. Dessa tungmetallföreningar är speciellt problematiska pga. de bildar lågsmältande saltblandningar. Dessa lågsmältande gasformiga eller fasta föreningar följer rökgasen och kan sedan fastna eller kondensera på kallare ytor på pannväggar eller överhettare för att sedan bilda aggressiva beläggningar. Tungmetallrika (Pb, Zn) klorider och sulfater ökar risken för korrosion, och effekten förstärks ytterligare vid närvaro av smälta. Motivet med den här studien var att få en bättre insikt i högtemperaturkorrosion förorsakad av Zn och Pb, samt att undersöka och prediktera beteendet och motståndskraften hos några stålkvaliteter som används i överhettare och pannväggar i tungmetallrika förhållanden och höga materialtemperaturer. Omfattande laboratorie-, småskale- och fullskaletest utfördes. Resultaten kan direkt utnyttjas i praktiska applikationer, t.ex. vid materialval, eller vid utveckling av korrosionsmotverkande verktyg för att hitta initierande faktorer och förstå deras effekt på högtemperaturkorrosion.

Surface transformation hardening of carbon steel with high power fiber laser

This study investigated the surface hardening of steels via experimental tests using a multi-kilowatt fiber laser as the laser source. The influence of laser power and laser power density on the hardening effect was investigated. The microhardness analysis of various laser hardened steels was done. A thermodynamic model was developed to evaluate the thermal process of the surface treatment of a wide thin steel plate with a Gaussian laser beam. The effect of laser linear oscillation hardening (LLOS) of steel was examined. An as-rolled ferritic-pearlitic steel and a tempered martensitic steel with 0.37 wt% C content were hardened under various laser power levels and laser power densities. The optimum power density that produced the maximum hardness was found to be dependent on the laser power. The effect of laser power density on the produced hardness was revealed. The surface hardness, hardened depth and required laser power density were compared between the samples. Fiber laser was briefly compared with high power diode laser in hardening medium-carbon steel. Microhardness (HV0.01) test was done on seven different laser hardened steels, including rolled steel, quenched and tempered steel, soft annealed alloyed steel and conventionally through-hardened steel consisting of different carbon and alloy contents. The surface hardness and hardened depth were compared among the samples. The effect of grain size on surface hardness of ferritic-pearlitic steel and pearlitic-cementite steel was evaluated. In-grain indentation was done to measure the hardness of pearlitic and cementite structures. The macrohardness of the base material was found to be related to the microhardness of the softer phase structure. The measured microhardness values were compared with the conventional macrohardness (HV5) results. A thermodynamic model was developed to calculate the temperature cycle, Ac1 and Ac3 boundaries, homogenization time and cooling rate. The equations were numerically solved with an error of less than 10-8. The temperature distributions for various thicknesses were compared under different laser traverse speed. The lag of the was verified by experiments done on six different steels. The calculated thermal cycle and hardened depth were compared with measured data. Correction coefficients were applied to the model for AISI 4340 steel. AISI 4340 steel was hardened by laser linear oscillation hardening (LLOS). Equations were derived to calculate the overlapped width of adjacent tracks and the number of overlapped scans in the center of the scanned track. The effect of oscillation frequency on the hardened depth was investigated by microscopic evaluation and hardness measurement. The homogeneity of hardness and hardened depth with different processing parameters were investigated. The hardness profiles were compared with the results obtained with conventional single-track hardening. LLOS was proved to be well suitable for surface hardening in a relatively large rectangular area with considerable depth of hardening. Compared with conventional single-track scanning, LLOS produced notably smaller hardened depths while at 40 and 100 Hz LLOS resulted in higher hardness within a depth of about 0.6 mm.

Chemistry of potassium halides and their role in corrosion in biomass and waste firing

Compared to the use of traditional fossil fuels (coal, oil, natural gas), combustion of biomass and waste fuels has several environmental and economic advantages for heat and power generation. However, biomass and waste fuels might contain halogens (Cl, Br, F), alkali metals (Na, K) and heavy metals (Zn, Pb), which may cause harmful emissions and corrosion problems. Hightemperature corrosion occurs typically on furnace waterwalls and superheaters. The corrosion of the boiler tube materials limits the increase of thermal efficiency of steam boilers and leads to costly shutdowns and repairs. In recent years, some concerns have been raised about halogen (Cl, Br, and F)-related hightemperature corrosion in biomass- and waste-fired boilers. Chlorine-related high-temperature corrosion has been studied extensively. The presence of alkali chlorides in the deposits is believed to play a major role in the corrosion observed in biomass and waste fired boilers. However, there is much less information found in literature on the corrosion effect of bromine and fluorine. According to the literature, bromine is only assumed to play a role similar to chlorine; the role of fluorine is even less understood. In this work, a series of bubbling fluidized bed (BFB) bench-scale tests were carried out to characterize the formation and sulfation behaviors of KCl and KBr in BFB combustion conditions. Furthermore, a series of laboratory tests were carried out to investigate the hightemperature corrosion behaviors of three different superheater steels (10CrMo9-10, AISI 347 and Sanicro 28) exposed to potassium halides in ambient air and wet air (containing 30% H2O). The influence of H2O and O2 on the high-temperature corrosion of steels both with and without a salt (KCl) in three gas atmospheres (2% H2O-30% O2-N2, 2% H2O-2% O2-N2 and 30% H2O-2% O2-N2) was also studied. From the bench-scale BFB combustion tests, it was found that HBr has a clearly higher affinity for the available K forming KBr than HCl forming KCl. The tests also indicated that KCl has a higher tendency for sulfation than KBr. From the laboratory corrosion tests in ambient air (also called “dry air” in Paper III and Paper IV), it was found that at relatively low temperatures (≤ 550 °C) the corrosivity of KBr and KF are similar to KCl. At 600 °C, KF showed much stronger corrosivity than KBr and KCl, especially for 10CrMo9-10 and AISI 347. When exposed to KBr or KF, 10CrMo9-10 was durable at least up to 450 °C, while AISI 347 and Sanicro 28 were durable at least up to 550 °C. From the laboratory corrosion tests in wet air (30% H2O), no obvious effect of water vapor was detected at 450 °C. At 550 °C, the influence of water vapor became significant in some cases, but the trend was not consistent. At 550 °C, after exposure with KBr, 10CrMo9-10 suffered from extreme corrosion; after exposure with KF and KCl, the corrosion was less severe, but still high. At 550 °C, local deep pitting corrosion occurred on AISI 347 and Sanicro 28 after exposure with KF. Some formation of K2CrO4 was observed in the oxide layer. At 550 °C, AISI 347 and Sanicro 28 suffered from low corrosion (oxide layer thickness of < 10 μm) after exposure with KBr and KCl. No formation of K2CrO4 was observed. Internal oxidation occurred in the cases of AISI 347 with KBr and KCl. From the laboratory corrosion tests in three different gas atmospheres (2% H2O-30% O2-N2, 2% H2O-2% O2-N2 and 30% H2O-2% O2-N2), it was found that in tests with no salt, no corrosion occurred on AISI 347 and Sanicro 28 up to 600 °C in both the “O2-rich” (2% H2O-30% O2-N2) and “H2O-rich” (30% H2O-2% O2-N2) gas atmospheres; only 10CrMo9-10 showed increased corrosion with increasing temperature. For 10CrMo9-10 in the “O2-rich” atmosphere, the presence of KCl significantly increased the corrosion compared to the “no salt” cases. For 10CrMo9-10 in the “H2O-rich” atmosphere, the presence or absence of KCl did not show any big influence on corrosion. The formation of K2CrO4 was observed only in the case with the “O2-rich” atmosphere. Considering both the results from the BFB tests and the laboratory corrosion tests, if fuels containing Br were to be combusted, the corrosion damage of superheaters would be expected to be higher than if the fuels contain only Cl. Information generated from these studies can be used to help the boiler manufacturers in selecting materials for the most demanding combustion systems.