The laser weldability of lean duplex stainless steels

Ruostumattomien terästen hinta on kasvanut maailman laajuisen kysynnän kasvun seurauksena. Samoin on käynyt myös ruostumattomien terästen valmistukseen käytettävien seosaineiden hinnalle. Terästen valmistajat ovatkin kehittäneet lean duplex teräksiä vastatakseen hintatietoisten markkinoiden kysyntään. Näissä lean duplex teräksissä kalliita seosaineita kuten nikkeliä ja molybdeenia on korvattu typellä ja mangaanilla. Houkutteleviksi vaihtoehdoiksi perinteisille ruostumattomille teräksille lean duplex laadut tekee myös niiden hyvät lujuus- ja korroosio-ominaisuudet. Kirjallisuus osio esittelee lasereiden toimintaperiaatteen. Myös avaimenreikähitsauksen periaate on esitetty. Ruostumattomien terästen yleisimmät seosaineet ovat esitelty, kuten myös syy niiden seostamiseen. Ruostumattomat duplex-teräkset on esitelty samoin kuin lean duplex teräkset. Kokeellisen osion koehitsit hitsattiin osin samalla tuotantolinjalla lopputuotteen kanssa ja osin laboratoriossa. Koemateriaaleina olivat lean duplex teräkset 1.4162 ja 1.4362 joiden materiaalipaksuudet olivat 1.2 mm ja 1.5 mm. Hitsatuille lamelleille tehtiin painetestaus. Makroskopiaa ja valomikroskopiaa käytettiin koehitsien arvioinnissa kuten myös ristivetokoetta. Kiinnostavimmista hitseistä määritettiin myös faasisuhde. Lean duplex teräs 1.4362 havaittiin sopivammaksi laaduksi tämän kaltaisessa sovelluksessa, mutta myös laatu 1.4162 täyttää sovelluksen hitsille asetetut vaatimukset, tosin huomattavasti pienemmässä parametri ikkunassa. Valittu menetelmä faasisuhteen määrittämiseen osoittautui epätarkaksi, joten faasisuhteen osalta tämän tutkimuksen tulokset ovat vain suuntaa-antavia.

Defining of the material models for stainless steels to be used in FE modeling

The aim of this work is to study the results of tensile tests for austenitic stainless steel type 304 and make accurate FE-models according to the results of the tests. Tensile tests were made at Central Research Institute of Structural Material, Prometey at Saint Petersburg and Mariyenburg in Russia. The test specimens for the tensile tests were produced at Lappeenranta University of Technology in a Laboratory of Steel Structures. In total 4 different tests were made, two with base material specimens and two with transverse butt weld specimens. Each kind of a specimen was tested at room temperature and at low temperature. By comparing the results of room and low temperature tests of similar test specimen we get to study the results of work hardening that affect the austenitic steels at below room temperature. The produced specimens are to be modeled accurately and then imported for nonlinear FEM- analyzing. Using the data gained from the tensile tests the aim is to get the models work like the specimens did during the tests. By using the analyzed results of the FE-models the aim is to calculate and get the stress-strain curves that correspond to the results acquired from the tensile tests.

Defining the keyhole modes – the effects on the weld geometry and the molten pool behaviour in high power laser welding of stainless steels

Keyhole welding, meaning that the laser beam forms a vapour cavity inside the steel, is one of the two types of laser welding processes and currently it is used in few industrial applications. Modern high power solid state lasers are becoming more used generally, but not all process fundamentals and phenomena of the process are well known and understanding of these helps to improve quality of final products. This study concentrates on the process fundamentals and the behaviour of the keyhole welding process by the means of real time high speed x-ray videography. One of the problem areas in laser welding has been mixing of the filler wire into the weld; the phenomena are explained and also one possible solution for this problem is presented in this study. The argument of this thesis is that the keyhole laser welding process has three keyhole modes that behave differently. These modes are trap, cylinder and kaleidoscope. Two of these have sub-modes, in which the keyhole behaves similarly but the molten pool changes behaviour and geometry of the resulting weld is different. X-ray videography was used to visualize the actual keyhole side view profile during the welding process. Several methods were applied to analyse and compile high speed x-ray video data to achieve a clearer image of the keyhole side view. Averaging was used to measure the keyhole side view outline, which was used to reconstruct a 3D-model of the actual keyhole. This 3D-model was taken as basis for calculation of the vapour volume inside of the keyhole for each laser parameter combination and joint geometry. Four different joint geometries were tested, partial penetration bead on plate and I-butt joint and full penetration bead on plate and I-butt joint. The comparison was performed with selected pairs and also compared all combinations together.

Ultimate capacity of stainless steel rectangular hollow section X- joints at low temperatures

Growing demand for stainless steel construction materials has increased the popularity of substitutive materials for austenitic stainless steels. The lean duplex grades have taken their place in building of structures exposed to corrosive environments. Since the duplex grades are relatively new materials, the current codes and norms do not fully cover the newest duplex grades. The joints tested in this thesis were designed and studied according to Eurocode 3, even though all the materials are not yet accepted to the standards. The main objective in this thesis was to determine the differences of the used materials in behaviour under loading at low temperatures. Tests in which the deformation and strength properties of the joints were determined were done at the temperature of -46°C, which is the requirement of temperature for structures designed according to Norsok standards. Results show that replacing the austenitic grade with the lean duplex grade is acceptable.

Paperikoneiden työskentelytasojen vaatimusten mukainen suunnittelu

Työtasojen kantavien rakenteiden on kestettävä riittävällä varmuudella mm. henkilökuormasta aiheutuvat jännitykset rakenneosissa. Lisäksi tasot eivät saa tuntua notkuvilta niillä käveltäessä, joten rakenteen siirtymille asetetaan rajoituksia. Työssä esitetään yleisimmin epäselvyyttä aiheuttaneet paperikoneiden työskentelytasoille asetetut vaatimukset. Vaatimukset ja niiden täyttäminen esitetään yksiselitteisellä tavalla esimerkiksi sovellettavien kuormitusten osalta. Materiaaliominaisuuksien osalta esitetään tärkeimmät työtasojen suunnittelussa huomioon otettavat asiat yleisimmille austeniittisille ruostumattomille teräksille ja alumiiniseoksille. Työtasorakenteiden mitoitusohjeet esitetään ritilöille, kulmaprofiilista valmistetuille jalkalistoille ja putkipalkista valmistetuille työtasojen kannattimille. Mitoituksessa otetaan myötöehdon ja siirtymärajoitusten lisäksi huomioon mm. levykenttien lommahdus. Kannattimien mitoituksessa otetaan huomioon vinoutuvien liitosten joustavuus ja kestävyys. Lisäksi esitetään mitoitusohjeet kitkaliitoksena toimivalle päätylevyliitokselle, johon kohdistuu mm. taivutus- ja vääntömomenttia.

Ruostumattoman teräksen TIG-hitsauksen hitsausnopeuden lisääminen

Diplomityön tavoitteena oli ruostumattoman teräksen koneellisen TIG-hitsauksen hitsausnopeuden lisääminen. Työssä tutkittiin suojakaasun koostumuksen vaikutusta hitsausnopeuteen sekä kahta uudehkoa prosessivariaatiota. Tutkitut prosessit olivat TIG-suurtaajuuspulssihitsaus sekä kaksoiskaasu-TIG-hitsaus. Kirjallisessa osassa perehdyttiin TIG-hitsauksen prosessiparametreihin ja -variaatioihin. Kokeellisessa osassa suoritettiin koehitsauksia hitsausnopeuksien selvittämiseksi. Tavoitteena oli tunkeuman kasvattaminen, mikä mahdollistaa hitsausnopeuden noston läpihitsattaessa. Suojakaasuina käytettiin sekä argonpohjaisia että heliumpohjaisia kaasuja, joihin oli lisätty vetyä. Vedyn avulla hitsausnopeus lisääntyi nykykäytäntöä suuremmillakin pitoisuuksilla. Uutena ilmiönä TIG-hitsauksessa havaittiin keyholen eli lävistysreiän syntyminen korkeita vetypitoisuuksia heliumpohjaisessa suojakaasussa käytettäessä. Keyhole oli kuitenkin erittäin epävakaa, joten jatkotutkimuksien tehtäväksi jää selvittää tarkemmin tämän ilmiön vaikutus. Tutkittuihin prosessivariaatioihin todettiin liittyvän useita laiteteknisiä ongelmia. Hitsausnopeuden suhteen tulokset jäivät vaatimattomiksi. Lähinnä keyholen aukaisemisessa ja aukipitämisessä menetelmistä havaittu hyöty antaa selvän aiheen jatkotutkimuksille.

The initial oxidation of transition metal surfaces

Due to their numerous novel technological applications ranging from the example of exhaust catalysts in the automotive industry to the catalytic production of hydro- gen, surface reactions on transition metal substrates have become to be one of the most essential subjects within the surface science community. Although numerous applications exist, there are many details in the different processes that, after many decades of research, remain unknown. There are perhaps as many applications for the corrosion resistant materials such as stainless steels. A thorough knowledge of the details of the simplest reactions occuring on the surfaces, such as oxidation, play a key role in the design of better catalysts, or corrosion resistant materials in the future. This thesis examines the oxidation of metal surfaces from a computational point of view mostly concentrating on copper as a model material. Oxidation is studied from the initial oxidation to the oxygen precovered surface. Important parameters for the initial sticking and dissociation are obtained. The saturation layer is thoroughly studied and the calculated results arecompared with available experimental results. On the saturated surface, some open questions still remain. The present calculations demonstrate, that the saturated part of the surface is excluded from being chemically reactive towards the oxygen molecules. The results suggest, that the reason for the chemical activity of the saturated surface is due to a strain effect occuring between the saturated areas of the surface.

Ruostumattomien terästen kuitulaserleikkaus

Työ jakaantuu kirjalliseen tutkimukseen sekä kokeelliseen osaan. Työn kirjallisuustutkimus käsittelee laserleikkausta yleisesti ja kartoittaa tämän hetken tilannetta kuitulaserin mahdollisuuksista ruostumattomien terästen leikkauksessa. Työn kokeellinen osuus käsittelee ruostumattomien terästen kuitulaserleikkauksesta levypaksuuksilla 3 mm ja 6 mm. Kokeissa tutkitaan leikkauspään leikkaussuunnan mukaisen kulman muutoksen vaikutusta leikkausnopeuteen. Leikkauksissa määritetään neljälle eri leikkauspään kulmalle suurin mahdollinen leikkausnopeus.

Design and manufacture of a microdistillation column

Aim of this thesis was to design and manufacture a microdistillation column. The literature review part of this thesis covers stainless steels, material processing and basics about engineering design and distillation. The main focus, however, is on the experimental part. Experimental part is divided into five distinct sections: First part is where the device is introduced and separated into three parts. Secondly the device is designed part by part. It consists mostly of detail problem solving, since the first drawings had already been drawn and the critical dimensions decided. Third part is the manufacture, which was not fully completed since the final assembly was left out of this thesis. Fourth part is the test welding for the device, and its analysis. Finally some ideas for further studies are presented. The main goal of this thesis was accomplished. The device only lacks some final assembly but otherwise it is complete. One thing that became clear during the process was how difficult it is to produce small and precise steel parts with conventional manufacturing methods. Internal stresses within steel plates and thermal distortions can easily ruin small steel structures. Designing appropriate welding jigs is an important task for even simple devices. Laser material processing is a promising tool for this kind of steel processing because of the flexibility, good cutting quality and also precise and low heat input when welding. Next step in this project is the final assembly and the actual distillation tests. The tests will be carried out at Helsinki University of Technology.

Laserhitsausparametrien vaikutus ruostumattomien terästen hitsin mikrorakenteeseen

Työn teoriaosassa käsitellään ruostumattomia teräksiä ja terästen metallurgiaan vaikuttavia tekijöitä yleisesti, sekä terästen hitsattavuutta. Hitsauksesta teoriassa käydään läpi laser- ja kaasukaarihitsausta ja hitsin metallurgiaan vaikuttavia tekijöitä. Kokeellisessa osassa paneudutaan kahdeksan eri ruostumattoman teräksen hitsien metallurgiaan ja metallurgiassa tapahtuviin muutoksiin hitsausparametrien mukaan. Koemateriaaleina on neljä austeniittista ruostumatonta terästä, 201, 301LN, 316L ja 254 SMO, kaksi austeniittis-ferriittistä ruostumatonta terästä, 2101 LDX ja 2205, sekä kaksi ferriittistä ruostumatonta terästä, 430 ja 1.4003. Hitsien mikrorakenteen tutkimisessa käytettiin sekä valomikroskooppia sekä joissain tapauksissa pyyhkäisyelektronimikroskooppia. Lisäksi työn kokeellisessa osassa paneuduttiin hitsien metallografisiin syövytystekniikoihin. Kokeiden perusteella voidaan sanoa, että hitsin metallurgia riippuu hitsauksen aikaisesta lämpösyklistä ja hitsausparametreilla voidaan vaikuttaa tämän lämpösyklin muotoon. Austeniittis-ferriittisillä teräksillä hitsauksen aikaisesta lämpösyklistä riippuu pitkälti hitsin austeniitti-ferriitti-suhde. Ferriittisillä teräksillä lämpösyklin muoto vaikuttaa hitsiin muodostuvan martensiitin kovuuteen ja määrään sekä rakenteen hienojakoisuuteen. Austeniittisilla teräksillä lämpösyklinmuodon vaikutus riippuu pitkälti teräksen seostusasteesta ja seosaineista. Austeniittisilla teräksillä kokeissa havaittuja muutoksia, parametrien muutosten mukaan oli muun muassa suotautumisen voimakkuuden

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.

Modern Metallic Materials for Arctic Environment

This thesis is part of the Arctic Materials Technologies Development –project, which aims to research and develop manufacturing techniques, especially welding, for Arctic areas. The main target of this paper is to clarify what kind of European metallic materials are used, or can be used, in Arctic. These materials include mainly carbon steels but also stainless steels and aluminium and its alloys. Standardized materials, their properties and also some recent developments are being introduced. Based on this thesis it can be said that carbon steels (shipbuilding and pipeline steels) have been developed based on needs of industry and steels exist, which can be used in Arctic areas. Still, these steels cannot be fully benefited, because rules and standards are under development. Also understanding of fracture behavior of new ultra high strength steels is not yet good enough, which means that research methods (destructive and non-destructive methods) need to be developed too. The most of new nickel-free austenitic and austenitic-ferritic stainless steels can be used in cold environment. Ferritic and martensitic stainless steels are being developed for better weldability and these steels are mainly developed in nuclear industry. Aluminium alloys are well suitable for subzero environment and these days high strength aluminium alloys are available also as thick sheets. Nanotechnology makes it possible to manufacture steels, stainless steels and aluminium alloys with even higher strength. Joining techniques needs to be developed and examined properly to achieve economical and safe way to join these modern alloys.

Russian metals for arctic offshore structures

With an increasingly growing demand for natural resources, the Arctic region has become an attractive area, holding about 15% of world oil. Ice shrinkage caused by global warming encourages the development of offshore and ship-building sectors. Russia, as one of the leading oil and gas production countries is participating actively in cold resistant materials research, since half of its territory belongs to the Arctic environment, which held considerable stores of oil. Nowadays most Russian offshore platforms are located in the Sakhalin Island area, which geographically does not belong to the Arctic, but has com-parable environmental conditions. Russia recently has manufactured several offshore platforms. It became clear that further development of the Arctic off-shore structures with necessary reliability is highly depending on the materials employed. This work pursues the following objectives:  to provide a comprehensive review on Russian metals used for Arctic offshore structures on the base of standards, books, journal articles and companies reports  to overview various Arctic offshore structures and its structural characteristics  briefly discuss materials testing methods for low temperatures Master`s thesis focuses on specifications and description of Russian metals which are already in use and can be used for Arctic offshore structures. Work overviews several groups of steel, such as low carbon, low alloy, chromium containing steels, stainless steels, aluminium and nanostructured steels. Materials under discussion are grouped based on the standards, for instance the work covers shipbuilding and structural steels at the different sections. This paper provides an overview of important Russian Arctic offshore projects built for use in Russia and ordered by foreign countries. Future trends in development of the Arctic materials are discussed. Based on the information provided in this Master`s thesis it is possible to learn about Russian metals used for ships and offshore platforms operated in the Arctic region. Paper can be used as the comprehensive review of current materials, such as various steels, aluminium and nanomaterials.

Lean Duplex -terästen hitsaus

Viime vuosien aikana tapahtunut nikkelin hinnan nouseminen on vaikuttanut austeniittis-ferriittisten ruostumattomien terästen, ns. duplex -terästen kehittämiseen. Niukkaseosteisemmissa lean duplex -teräksissä seostetun nikkelin määrää on vähennetty ja sitä on korvattu typellä ja mangaanilla. Nämä muutokset ko. terästen seostuksessa aiheuttavat haasteita hitsaukselle, erityisesti austeniitti-ferriitti -suhteen säilyttämisessä, sekä sitä kautta iskusitkeyden ja korroosio-ominaisuuksien säilyttämiselle. Suurempi typen osuus myös lisää teräksen hitsisulan viskositeettia, mikä heikentää juuripalkojen hitsauksessa tunkeumaa. Tässsä diplomityössä on tutkittu keinoja helpottaa paksujen (yli 20 mm) lean duplex -teräslevyjen hitsausta käytännön näkökulmasta, sekä parantaa hitsattujen levyjen iskusitkeyttä. Hitsauskokeilla löydettiin hitsausta helpottavia menetelmiä ja kokeista saatiin karsimalla valikoitua hitsausarvot, joilla pystytään hitsaamaan painelaitedirektiivin mukaisesti hyväksyttäviä hitsejä lean duplex -laatuihin LDX2101 ja UR2202.

Market potentialfor free-cutting steels in Europe

Työn tavoitteena oli selvittää tilannetta Euroopan automaattiteräsmarkkinoilla ja sen perusteella arvioida Imatra Steelin mahdollisuuksia kilpailla kyseessä olevilla markkinoilla. Tärkein tavoite oli kokonaismarkkinapotentiaalin arvioiminen Saksan, Ruotsin, Englannin ja Suomen markkinoilla. Lisäksi selvitettiin käytetyt automaattiteräslajit ja mitta-alue, hintataso sekä koneistukseenliittyviä teknisiä yksityiskohtia.Tavoitteena oli myös kartoittaa asenteita ja mielipiteitä mahdollisesta lyijyn käytön kieltämisestä teräksen seosaineena tulevaisuudessa. Paremman kokonaiskuvan saamiseksi analysoitiin myös kilpailutilannetta Euroopassa. Työn teoriakehyksessä tutkittiin teollisuustuotteiden markkinatutkimuksen suorittamisen erityispiirteitä, markkinapotentiaalin määrittämiseen liittyviä käsitteitä ja kilpailija-analyysin suorittamista. Empiirinen tutkimus suoritettiin pääasiassa asiantuntijoiden haastattelujen ja kyselyjen avulla. Haastateltavina oli tukkureita ja loppukäyttäjiä. Kilpailutilanteen kartoittaminen perustuu lähinnä sekundääriseen tietoon, Internet-sivuihin ja myyntikonttoreiden aikaisemmin keräämään tietoon.Automaattiterästen kokonaispotentiaaliksi Euroopassa arvioitiin miljoona tonnia ja suurin osa kaupasta käydään tutkituilla markkina-alueilla. Suurimmat volyymit sijoittuvat pienemmille mitta-alueille, Æ 12 - 50 mm. Markkinoita hallitsee muutama suuri teräksen valmistaja. Imatra Steel kohtuullisen pienenä toimittajana ei pysty kilpailemaan volyymilla ja tuotevalikoimallaan suurten teräsjättien kanssa. Imatra Steelin mahdollinen strategiavaihtoehto olisi yrittää löytää ne kapeat segmentit ja markkinaraot, joilla sen tuotteet jatietotaito tuovat asiakkaalle suurimman mahdollisen hyödyn verrattuna kilpailijoihin.