Hiiliteräspalkin kuitulaserhitsaus

Hitsaavassa teollisuudessa kilpailukyvyn säilyttäminen ja mahdollinen parantaminen edellyttää hitsauksen tehokkuuden nostoa. Laserhitsauksen nopeus, tarkkuus, tasainen laatu ja aikaansaatava syvä tunkeuma ovatkin vakiinnuttaneet menetelmän vankan aseman tehokkaana valmistusmenetelmänä. Sähkön ja heliumin hinnan nousu ovat pakottaneet teollisuuden miettimään entistä tehokkaampien ja ympäristöystävällisempien laserlähteiden hankkimista. Kuitulaserin korkea hyötysuhde, hyvä säteenlaatu, suuri teho ja matalat käyttökustannukset ovat herättäneet kiinnostusta laserhitsaavassa teollisuudessa. Diplomityössä keskityttiin kuitulaserhitsauksen soveltamiseen. Työn tavoitteena oli parantaa kuitulaserhitsausmenetelmän ymmärrystä ja saada käsitys siitä, miten valitaan hitsausparametrien arvot, ja soveltuuko kuitulaser teolliseen tuotantoon. Tutkimuksessa pyrittiin löytämään peruskokeilla optimaaliset hitsausparametrit, joilla syntyy hyvin tunkeutunut, vähän huokosia sisältävä, ja ulkoisesti laadukas hitsi, sekä optimaalinen hitsin tunkeumaprofiili. Lopuksi hitsausparametreja testattiin tuotteen hitsauksessa. Kuitulaser soveltuu erinomaisesti hiiliteräksen hitsaukseen ja hyvin erikoislujien terästen hitsaukseen, kun teräksen hiili- ja rikkipitoisuudet ovat matalia. Sillä on laaja parametrialue. Yleisimmät hitsausvirheet ovat vajaa hitsautumissyvyys ja huokoset. Tässä diplomityössä keskityttiin etsimään yhdelle valmistettavalle tuotteelle optimaaliset kuitulaserhitsausparametrit. Kuitulaserin laser- ja prosessiparametrien vaikutusta hitsiin ei ole juurikaan tutkittu. Diplomityön kokeiden perusteella olisi hyvä tehdä eri materiaalien jatkotutkimusta railonvalmistuksen, kuten liitoksen oksidikerroksen ja ilmaraon sekä suojakaasun, vaikutuksesta hitsiin. Kuitulaserin hyvä säteenlaatu ja muut laser-parametrit ovat tuoneet mukanaan prosessiin uusia ilmiöitä, joita on syytä tutkia lisää.

Effect of Mechanical and Geometric Mismatching on Fatigue and Damage of Welded Joints

The future of high technology welded constructions will be characterised by higher strength materials and improved weld quality with respect to fatigue resistance. The expected implementation of high quality high strength steel welds will require that more attention be given to the issues of crack initiation and mechanical mismatching. Experiments and finite element analyses were performed within the framework of continuum damage mechanics to investigate the effect of mismatching of welded joints on void nucleation and coalescence during monotonic loading. It was found that the damage of undermatched joints mainly occurred in the sandwich layer and the damageresistance of the joints decreases with the decrease of the sandwich layer width. The damage of over-matched joints mainly occurred in the base metal adjacent to the sandwich layer and the damage resistance of the joints increases with thedecrease of the sandwich layer width. The mechanisms of the initiation of the micro voids/cracks were found to be cracking of the inclusions or the embrittled second phase, and the debonding of the inclusions from the matrix. Experimental fatigue crack growth rate testing showed that the fatigue life of under-matched central crack panel specimens is longer than that of over-matched and even-matched specimens. Further investigation by the elastic-plastic finite element analysis indicated that fatigue crack closure, which originated from the inhomogeneousyielding adjacent to the crack tip, played an important role in the fatigue crack propagation. The applicability of the J integral concept to the mismatched specimens with crack extension under cyclic loading was assessed. The concept of fatigue class used by the International Institute of Welding was introduced in the parametric numerical analysis of several welded joints. The effect of weld geometry and load condition on fatigue strength of ferrite-pearlite steel joints was systematically evaluated based on linear elastic fracture mechanics. Joint types included lap joints, angle joints and butt joints. Various combinations of the tensile and bending loads were considered during the evaluation with the emphasis focused on the existence of both root and toe cracks. For a lap joint with asmall lack-of-penetration, a reasonably large weld leg and smaller flank angle were recommended for engineering practice in order to achieve higher fatigue strength. It was found that the fatigue strength of the angle joint depended strongly on the location and orientation of the preexisting crack-like welding defects, even if the joint was welded with full penetration. It is commonly believed that the double sided butt welds can have significantly higher fatigue strength than that of a single sided welds, but fatigue crack initiation and propagation can originate from the weld root if the welding procedure results in a partial penetration. It is clearly shown that the fatigue strength of the butt joint could be improved remarkably by ensuring full penetration. Nevertheless, increasing the fatigue strength of a butt joint by increasing the size of the weld is an uneconomical alternative.

Tunkeuman hallinta MIG/MAG-hitsauksessa

MIG/MAG-hitsaukselle tyypillinen ominaispiirre, valokaaren itsesäätyvyys, saavutetaan vakiojännitelähdettä käyttämällä. Valokaaren sisäisen säätömekanismin ansiosta kaarenpituus pysyy vakiona, vaikka hitsauspolttimen ja työkappaleen välinen etäisyys vaihtelisi hitsauksen aikana. Vakiojännitelähteen käyttäminen aiheuttaa kuitenkin kaaritehon vaihtelua vapaalankapituuden muuttuessa. Vapaalangan kasvaessa liian pitkäksi kaariteho laskee niin alas, ettei se enää riitä sulattamaan tarpeeksi perusainetta railon kyljissä. Tämän seurauksena hitsausliitokseen syntyy erilaisia liittymävirheitä. Käsinhitsauksessa vapaalangan pituus saattaa polttimen epävakaasta kuljetuksesta johtuen vaihdella erityisesti kokemattomilla hitsaajilla. Mekanisoidussa ja automatisoidussa hitsauksessa railojen mitta- ja muotopoikkeamat aiheuttavat vapaalankapituuden vaihtelua. Poikkeamia syntyy kaikissa hitsausrailojen esivalmistusvaiheissa. Lisäksi lämmöntuonnin aiheuttamat muodonmuutokset kappaleissa lisäävät poikkeamia railonsovituksessa hitsauksen aikana. Ongelma on useimmiten ratkaistavissa railonseurantaa käyttämällä. Railonseurantajärjestelmät ovat kuitenkin kalliita, eivätkä ne toimi luotettavasti kaikissa olosuhteissa. Diplomityössä tutkittiin uutta MIG/MAG-hitsauksen reaaliaikaiseen tunkeuman hallintaan kehitettyä säätöjärjestelmää. Työn tavoitteina olivat säätöjärjestelmän luotettavan toiminnan takaavien reunaehtojen ja kosketussuutinetäisyyden suositusrajojen määrittäminen. Tavoitteiden täyttämiseksi työn kokeellisessa osiossa suoritettiin laaja hitsauskokeiden sarja, jossa hitsattavina materiaaleina käytettiin seostamatonta ja runsasseosteista terästä.

Lujien terästen hitsauksen kehittäminen

Työn teoriaosuudessa käsitellään lujia hitsattavia teräksiä sekä niiden hitsauksessa huomioitavia erityispiirteitä. Työssä esitellään hitsattavuuden arviointiin kehitettyjä teoreettisia menetelmiä sekä otetaan kantaa hitsauksen suoritustekniikkaan ja lisäainevalintaan. Myös lujien terästen hitsauksessa tyypilliset hitsausvirheet on käsitelty tässä työssä. Työn kokeellisessa osassa selvitettiin metsäteknologian tuotteita valmistavan metalliyrityksen käyttämien lujien terästen hitsattavuus ja hitsauksen esivalmistelujen tarpeellisuus. Kokeelliseen osioon kuului myös sopivan lisäainelangan valinta sekä tarkempaan tarkasteluun valitun esimerkkituotteen hitsien laadun selvittäminen. Tutkimuksissa käytettyjä menetelmiä olivat makro- ja mikrohietutkimus, hitsausliitoksen poikittainen vetokoe, Vickersin kovuuskoe ja murtokoe. Tarkasteluissa peilautuu myös hitsauksen automatisoinnin vaikutukset lujien terästen hitsaukseen. Kokeellisessa osiossa huomattiin nuorrutettujen terästen pehmeneminen liian suurella lämmöntuonnilla. Termomekaanisesti valssatut teräkset ovat paremmin hitsattavissa kuin nuorrutetut ja karkaistut teräkset. Kyseessä olevassa yrityksessä hitsattavien materiaalien paksuudet ovat pääsääntöisesti niin ohuita, ettei korotettua työlämpötilaa tarvita. Alilujat lisäaineet soveltuvat hitsauslisäaineeksi tuotantokäyttöön muutamia tuotekohtaisia poikkeuksia lukuun ottamatta.

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.

Nd:YAG Laser Welding of 5083 Aluminium Alloy using Filler Wire

High reflectivity and high thermal conductivity, high vapour pressure of alloyingelements as well as low liquid surface tension and low ionisation potential, make laser welding of aluminium and its alloys a demanding task.Problems that occur during welding are mainly process instabilities of the keyhole and the melt pool, increased plasma formation above the melt pool and loss of alloying elements. These problems lead to unwanted metallurgical defects like hot cracks and porosity in the weld bead andother problems concerning the shape and appearance of the weld bead. In order to minimise the defects and improve the weld quality, the process and beam parameters need to be carefully adjusted along with a consideration concerning the use of filler wire for the welding process. In this work the welding of 3,0 mm thick grade 5083 aluminium alloy plates using a 3,0 kW Nd:YAG laser with grade 5183 filler wire addition is investigated. The plates were welded as butt joints with air gap sizes 0,5 mm, 0,7mm and 1,0 mm. The analysis of the weld beads obtained from the weldedsamples showed that the least imperfections were produced with 0,7 mm air gaps at moderate welding speeds. The analysis also covered the calculation of the melting efficiency and the study of the shape of the weld bead. The melting efficiency was on average around 20 % for the melting process of the welded plates. The weld beads showed the characteristic V-shape of a laser weld and retained this shape during the whole series of experiments.

Effect of Shielding Gases in Laser Welding of Aluminium Alloys

High reflectivity to laser light, alloying element evaporation during high power laser welding makes aluminium alloys highly susceptibility to weld defects such as porosity, cracking and undercutting. The dynamic behaviour of the keyhole, due to fluctuating plasma above the keyhole and the vaporization ofthe alloying elements with in the keyhole, is the key problem to be solved for the improvement of the weld quality and stabilization of the keyhole dynamics isperhaps the single most important development that can broaden the application of laser welding of aluminium alloys. In laser welding, the shielding gas is commonly used to stabilize the welding process, to improve the welded joint features and to protect the welded seam from oxidation. The chemicalcomposition of the shielding gas is a key factor in achieving the final qualityof the welded joints. Wide range of shielding gases varying from the pure gasesto complex mixtures based on helium, argon, nitrogen and carbon dioxide are commercially available. These gas mixtures should be considered in terms of their suitability during laser welding of aluminium alloys to produce quality welds. The main objective of the present work is to study the effect of the shielding gascomposition during laser welding of aluminium alloys. Aluminium alloy A15754 was welded using 3kW Nd-YAG laser (continuous wave mode). The alloy samples were butt welded with different shielding gases (pure and mixture of gases) so that high quality welds with high joint efficiencies could be produced. It was observed that the chemical composition of the gases influenced the final weld quality and properties. In general, the mixture gases, in correct proportions, enabled better utilisation of the properties of the mixing gases, stabilized the welding process and produced better weld quality compared to the pure shielding gases.

On the effects of welding parameters on weld quality of plasma arc keyhole welding of structural steels

The possibility and the usefulness of applying plasma keyhole welding to structural steels with different compositions and material thicknesses, and in various welding positions has been examinated. Single pass butt welding with I groove in flat, horizontal vertical and vertical positions and root welding with V , Y and U grooves of thick plate material in flat position have been studied and the welds with high quality has been obtained. The technological conditions for successful welding are presented. The single and interactive effects of welding parameters on weld quality, especially on surface weld defects, geometrical form errors, internal defects and mechanical properties (strength, ductility, impact toughness, hardness and bendability) of weld joint, are presented. Welding parameter combinations providing the best quality welds are also presented.

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.

Underwater Remote Welding Technology for Offshore Structures

The construction of offshore structures, equipment and devices requires a high level of mechanical reliability in terms of strength, toughness and ductility. One major site for mechanical failure, the weld joint region, needs particularly careful examination, and weld joint quality has become a major focus of research in recent times. Underwater welding carried out offshore faces specific challenges affecting the mechanical reliability of constructions completed underwater. The focus of this thesis is on improvement of weld quality of underwater welding using control theory. This research work identifies ways of optimizing the welding process parameters of flux cored arc welding (FCAW) during underwater welding so as to achieve desired weld bead geometry when welding in a water environment. The weld bead geometry has no known linear relationship with the welding process parameters, which makes it difficult to determine a satisfactory weld quality. However, good weld bead geometry is achievable by controlling the welding process parameters. The doctoral dissertation comprises two sections. The first part introduces the topic of the research, discusses the mechanisms of underwater welding and examines the effect of the water environment on the weld quality of wet welding. The second part comprises four research papers examining different aspects of underwater wet welding and its control and optimization. Issues considered include the effects of welding process parameters on weld bead geometry, optimization of FCAW process parameters, and design of a control system for the purpose of achieving a desired bead geometry that can ensure a high level of mechanical reliability in welded joints of offshore structures. Artificial neural network systems and a fuzzy logic controller, which are incorporated in the control system design, and a hybrid of fuzzy and PID controllers are the major control dynamics used. This study contributes to knowledge of possible solutions for achieving similar high weld quality in underwater wet welding as found with welding in air. The study shows that carefully selected steels with very low carbon equivalent and proper control of the welding process parameters are essential in achieving good weld quality. The study provides a platform for further research in underwater welding. It promotes increased awareness of the need to improve the quality of underwater welding for offshore industries and thus minimize the risk of structural defects resulting from poor weld quality.

Spinor Bose-Einstein Condensates and Topological Defects

This thesis concentrates on the topological defects of spin-1 and spin-2 Bose-Einstein condensates, the ground states of spin-3 condensates, and the inert states of spinor condensates with arbitrary spin. Our work is based on the description of a spinor condensate of spin-S atoms in terms of a state vector of a spin-S particle. The results of the homotopy theory are used to study the existence and structure of the topological defects in spinor condensates. We construct examples of defects, study their energetics, and examine how their stability is affected by the presence of an external magnetic field. The ground states of spin-3 condensates are calculated using analytical and numerical means. Special emphasis is put on the ground states of a chromium condensate, whose dependence on the magnetic dipole-dipole interaction is studied. A simple geometrical method for the calculation of inert states of spinor condensates is presented. This method is used to find candidates for the ground states of spin-S condensates.

Palkinvalmistuksen hitsauksen laadunvarmistus

Vuonna 2004 hitsauksen menetelmäkoestandardisarjauusiutui. Tällöin havaittiin yrityksessä kokeiden kattavuuden olevan jatkossa eräiltä osin puutteellista. Tällä työllä paneudutaan PPTH Norden Oy:n Ylivieskan tehtaan palkinvalmistuksen laadunvarmistuksessa hitsausohjeiden ajan tasalla pitämiseen sekä helppoon ja virheettömään käyttöön. Ohjeistuksen käytettävyyttä ja saatavuutta haluttiin samalla parantaa aikaisempaa helpommaksi hiljattain käyttöön otetun toimintajärjestelmän avulla. Tuloksena tehdystä työstä on Ylivieskan tehtaallakäytössä toimintajärjestelmässä palkinvalmistuksen päivitetty, selkeä ja helppokäyttöinen hitsausohjeistus. Sama operaatio toistetaan myöhemmin PPTH:n muillakin tehtailla. Työn tekemisen aikana nousi esiin kolme kehityskohdetta. WQ palkkien hitsausta on syytä kehittää laatupoikkeamien vähentämiseksi ja sen tehokkuuden parantamista kannattaa tutkia. Jatkohitsaukseen on aihetta hankkia työtä helpottavia apuvälineitä.

Visual measurement of laser-arc hybrid welding

Tässä työssä raportoidaan hybridihitsauksesta otettujen suurnopeuskuvasarjojen automaattisen analyysijärjestelmän kehittäminen.Järjestelmän tarkoitus oli tuottaa tietoa, joka avustaisi analysoijaa arvioimaan kuvatun hitsausprosessin laatua. Tutkimus keskittyi valokaaren taajuuden säännöllisyyden ja lisäainepisaroiden lentosuuntien mittaamiseen. Valokaaria havaittiin kuvasarjoista sumean c-means-klusterointimenetelmän avullaja perättäisten valokaarien välistä aikaväliä käytettiin valokaaren taajuuden säännöllisyyden mittarina. Pisaroita paikannettiin menetelmällä, jossa yhdistyi pääkomponenttianalyysi ja tukivektoriluokitin. Kalman-suodinta käytettiin tuottamaan arvioita pisaroiden lentosuunnista ja nopeuksista. Lentosuunnanmääritysmenetelmä luokitteli pisarat niiden arvioitujen lentosuuntien perusteella. Järjestelmän kehittämiseen käytettävissä olleet kuvasarjat poikkesivat merkittävästi toisistaan kuvanlaadun ja pisaroiden ulkomuodon osalta, johtuen eroista kuvaus- ja hitsausprosesseissa. Analyysijärjestelmä kehitettiin toimimaan pienellä osajoukolla kuvasarjoja, joissa oli tietynlainen kuvaus- ja hitsausprosessi ja joiden kuvanlaatu ja pisaroiden ulkomuoto olivat samankaltaisia, mutta järjestelmää testattiin myös osajoukon ulkopuolisilla kuvasarjoilla. Testitulokset osoittivat, että lentosuunnanmääritystarkkuus oli kohtuullisen suuri osajoukonsisällä ja pieni muissa kuvasarjoissa. Valokaaren taajuuden säännöllisyyden määritys oli tarkka useammassa kuvasarjassa.

Measuring irregularities and surface defects from printed patterns

Quality inspection and assurance is a veryimportant step when today's products are sold to markets. As products are produced in vast quantities, the interest to automate quality inspection tasks has increased correspondingly. Quality inspection tasks usuallyrequire the detection of deficiencies, defined as irregularities in this thesis. Objects containing regular patterns appear quite frequently on certain industries and science, e.g. half-tone raster patterns in the printing industry, crystal lattice structures in solid state physics and solder joints and components in the electronics industry. In this thesis, the problem of regular patterns and irregularities is described in analytical form and three different detection methods are proposed. All the methods are based on characteristics of Fourier transform to represent regular information compactly. Fourier transform enables the separation of regular and irregular parts of an image but the three methods presented are shown to differ in generality and computational complexity. Need to detect fine and sparse details is common in quality inspection tasks, e.g., locating smallfractures in components in the electronics industry or detecting tearing from paper samples in the printing industry. In this thesis, a general definition of such details is given by defining sufficient statistical properties in the histogram domain. The analytical definition allowsa quantitative comparison of methods designed for detail detection. Based on the definition, the utilisation of existing thresholding methodsis shown to be well motivated. Comparison of thresholding methods shows that minimum error thresholding outperforms other standard methods. The results are successfully applied to a paper printability and runnability inspection setup. Missing dots from a repeating raster pattern are detected from Heliotest strips and small surface defects from IGT picking papers.