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.

Mekanisoidun hitsauksen käyttö ydinvoimalaitoksella

Diplomityössä päätavoitteena oli selvittää kuinka mekanisointia voitaisiin hyödyntää Fortum Power & Heat Oy:n Loviisan voimalaitoksen hitsauksissa. Työn osatavoitteisiin kuului mm. tutkia saadaanko mekanisoinnin käytön seurauksena parannettua laatua pienennettyä säteilyannoksia tai kustannuksia. Käytännön esimerkkinä oli pääkiertopumpun pesän tiivistepinnan korjaushitsaus. Teoriaosuus käsittelee nykyaikaisia hitsausmenetelmiä sekä hitsauksen mekanisoinnista ja automatisoinnista saatavia etuja. Käytännön osuudessa käytiin läpi Loviisan voimalaitoksen mekanisoidun hitsauksen historia ja hitsauksen nykytila ja tulevaisuus. Tulevaisuuden tarkastelussa kartoitettiin kohteita missä mekanisoinnin käytöstä saataisiin hyötyä ja mietittiin miten kyseinen kohteen mekanisointi voitaisiin toteuttaa. Tarkastelujen perusteella Loviisan voimalaitokselta löytyi kolme kohdetta, jossa hitsauksen mekanisointi olisi järkevä toteuttaa tavoitteiden puitteissa. Mekanisoitavissa olevat kohteet olivat putkiston hitsaus, suurien säiliöiden vuorauksien hitsaus ja suurien tiivistepintojen pinnoitushitsaus. Pääkiertopumpun pesän tiivistepinnan hitsaukselle löydettiin kolme laitteistovaihtoehtoa, joiden pohjalta lopullinen päätös voidaan tehdä.

The Effect of Load Follow Operation on Fuel Behaviour in Loviisa NPP

Työn tarkoituksena oli analysoida polttoainesauvojen käyttäytymistä Loviisan ydinvoimalaitoksen tehonsäätöajossa. Sähkömarkkinoiden vapautuminen Pohjoismaissa sekä tämän seurauksena vaihteleva sähkön markkinahinta ovat ajaneet sähkötuottajat tilanteeseen, jossa tuotanto aiempaa enemmän mukautuu markkinatilanteeseen. Näin ollen myös Loviisan ydinvoimalaitoksen osallistuminen sähkön tuotannon säätelyyn saattaa tulevaisuudessa olla ajankohtaista. Ennen kuin reaktorin tehonsäätöajoa voidaan alkaa toteuttaa, tulee varmistua siitä, että polttoainesauvassa tehonsäätöjen seurauksena tapahtuvat muutokset eivät aiheuta epäsuotuisia käyttäytymisilmiöitä. Työssä tarkastellaan kahden Loviisan ydinvoimalaitoksen polttoainetoimittajan, British Nuclear Fuels plc:n ja venäläisen TVEL:n ensinippujen polttoainesauvan käyttäytymistä tehonsäätötapauksissa. Työssä tarkastellut tehonsäätötapaukset on pyritty valitsemaan niin, että ne kuvaisivat tulevaisuudessa mahdollisesti toteutettavia tehonsäätöjä. Laskentatapauksien sauvatehohistoriat on generoitu HEXBU-3D sydänsimulaattoriohjelmalla lasketun nelivuotisen perustehohistorian pohjalta lisäämällä säätösauvan aiheuttama reaktoritehon muutos, säätösauvan viereisen polttoainenipun aksiaalitehon muutos sekä säätösauvan rakenteen aiheuttama paikallinen tehopiikki säätösauvan vieressä. Työssä tarkastellaan tehonsäätöjen toteuttamista eri tehotasoille ja vaihtelevilla määrillä tehonsäätösyklejä. Työssä käsitellyt laskentatapaukset on jaoteltu reaktorin ajotavan mukaan seuraavasti: peruskuorma-ajo, viikonloppusäätö ja päiväsäätö. Laskenta suoritettiin ydinpolttoaineen käyttäytymistä kuvaavaa ENIGMA-B 7.3.0 ohjelmaa apuna käyttäen. Laskelmien tulokset osoittavat, että molempien polttoainetoimittajien ensinippujen sauvat kestävät reaktorin tehonsäätöajoa rajoituksetta tarkastelluissa laskentatapauksissa. ENIGMA-ohjelman sisältämät mallit, jotka ennustavat polttoainesauvan suojakuoren vaurioitumistodennäköisyyden jännityskorroosion tai väsymismurtuman kautta, eivät näytä mitään merkkejä vaurioitumisesta. BNFL:n polttoainesauva saavuttaa kuitenkin suurempia väsymismurtumatodennäköisyyden arvoja. Tämä johtuu siitä, että polttoainepelletin ja suojakuoren välinen mekaaninen vuorovaikutus syntyy BNFL:n sauvassa aikaisemmin, joka taas johtaa suurempaan määrään sauvaa rasittavia muodonmuutoksia tehonnostotilanteissa. TVEL:n Zr1%Nb -materiaalista valmistetun suojakuoren käyttäytymistä ei voida kuitenkaan suoraan näiden laskujen perusteella arvioida, sillä ENIGMA-ohjelman mallit perustuvat Zircaloy-suojakuorimateriaaleilla suoritettuihin kokeisiin.

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.

Weld joint characteristics by nano-materials addition

The need for industries to remain competitive in the welding business, has created necessity to develop innovative processes that can exceed customer’s demand. Significant development in improving weld efficiency, during the past decades, still have their drawbacks, specifically in the weld strength properties. The recent innovative technologies have created smallest possible solid material known as nanomaterial and their introduction in welding production has improved the weld strength properties and to overcome unstable microstructures in the weld. This study utilizes a qualitative research method, to elaborate the methods of introducing nanomaterial to the weldments and the characteristic of the welds produced by different welding processes. The study mainly focuses on changes in the microstructural formation and strength properties on the welded joint and also discusses those factors influencing such improvements, due to the addition of nanomaterials. The effect of nanomaterial addition in welding process modifies the physics of joining region, thereby, resulting in significant improvement in the strength properties, with stable microstructure in the weld. The addition of nanomaterials in the welding processes are, through coating on base metal, addition in filler metal and utilizing nanostructured base metal. However, due to its insignificant size, the addition of nanomaterials directly to the weld, would poses complications. The factors having major influence on the joint integrity are dispersion of nanomaterials, characteristics of the nanomaterials, quantity of nanomaterials and selection of nanomaterials. The addition of nanomaterials does not affect the fundamental properties and characteristics of base metals and the filler metal. However, in some cases, the addition of nanomaterials lead to the deterioration of the joint properties by unstable microstructural formations. Still research are ongoing to achieve high joint integrity, in various materials through different welding processes and also on other factors that influence the joint strength.