Hitsausmenetelmät ja niiden kehittämismahdollisuudet painelaitteiden valmistuksessa

Työn tavoitteena oli painelaitteiden hitsaustuotannon kehittäminen. Keinoina olivat käytössä olevien hitsausprosessienkehittäminen tai niiden käytön tehostaminen ja mahdollisesti muiden hitsausprosessien, kuten plasma-, laser- tai hybridihitsauksen, käyttöönotto. Työn teoriaosassa käsiteltiin painelaitteiden valmistuksessa käytettävät hitsausprosessit ja niiden kehittämiskeinot, hitsauskustannuksen muodostuminen sekä miten näihin kustannuksiin voidaan vaikuttaa. Lisäksi tarkasteltiin painelaitteiden valmistuksessa käytettävien materiaalien hitsattavuutta ja laadunvarmistusta. Tutkimusosuudessa käytiin läpi valmistuksen nykytila ja tehtiin tuotannon analysointi kehittämiskohteeksi valitulle lämmönsiirtimelle. Kehitysehdotuksenatuotannon tehostamiseksi ehdotettiin MAG-täytelanka- ja jauhekaarihitsauksen käytön lisäämistä. Lisäksi ehdotettiin juurituen käyttöä ja hitsauksen mekanisoinnin lisäämistä. Plasma- tai hybridihitsauksen käytöllä todettiin pystyttävän lyhentämään läpimenoaikoja. Ennen laitteistohankintojen tekoa täytyy tehdä lisäselvityksiä soveltuvuuden ja kannattavuuden varmistamiseksi.

MIG-juotto väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä

Tässä tutkimuksessa esitellään MIG-juoton periaatteet ja tarkastellaan menetelmää siitä näkökulmasta, että menetelmä voisi toimia yhtenä varteenotettavana hitsattujen liitosten väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä. Muiden parantamismenetelmien laajaa kirjoa esitellään lyhyesti. MIG-juoton soveltuvuutta parantamismenetelmäksi tutkittiin väsytyskokein. Kokeiden avulla määritettiin pelkästään MIG-juotetun liitoksen väsymiskestävyys erilaisissa tapauksissa. Lisäksi määritettiin väsymiskestävyys tapauksessa, jossa perinteisen MAG-pienahitsin rajaviivalle MIG-juotetiin ylimääräinen palko. Jälkimmäisessä tapauksessa menetelmä toimii väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä. Väsytyskokeita tehtiin kaikkiaan 63 kpl.Kaikkiaan erilaisia väsytyskoesarjoja oli kymmenen, joista kuusi oli 8-10 koekappaletta käsittäviä varsinaisia tutkittavia tapauksia ja neljä pieniä, vain kaksi tai kolme koesauvaa käsittäviä pilottikoesarjoja. Koetuloksia verrattiin IIW:n(International Institute of Welding) suunnitteluohjeisiin ja suosituksiin. MIG-juotettujen liitosten väsymiskestävyys oli yleisesti ottaen hyvä. Päittäisliitosoli vähintään yhtä hyvä kuin tavanomaisesti hitsattu. Voimaa kantavassa taivutustapauksessa saatiin 110 % parempi väsymislujuus verrattuna IIW:n suunnitteluohjeeseen. Voimaa kantamattomissa poikittaisissa kiinnitysliitoksissa puolestaan saavutettiin paikallisia nimellisiä jännityksiä käyttäen 70-80 %:n parannus suunnitteluohjeeseen nähden. Pelkästään MIG-juotetun liitoksen ja 'parannetun' liitoksen väsymislujuudet olivat tässä tapauksessa likimain yhtä suuret. MIG-juottoa käytetään vaihtoehtoisena liittämismenetelmänä jo joissakin teollisissa sovelluksissa. Tämän tutkimuksen koetulokset antavat selviä viitteitä siitä, että menetelmä voisi toimia yhtenä varteenotettavana väsymiskestävyyden parantamiskeinona uusille tai korjatuille rakenteille. Vaaditaan kuitenkin vielä lisätutkimuksia, jotta menetelmää voisi soveltaa luottavaisin mielin tuotantokäytössä väsymiskestävyyden parantamismenetelmänä.

Welding time models for cost calculations in the early stages of the design process

It is generally accepted that between 70 and 80% of manufacturing costs can be attributed to design. Nevertheless, it is difficult for the designer to estimate manufacturing costs accurately, especially when alternative constructions are compared at the conceptual design phase, because of the lack of cost information and appropriate tools. In general, previous reports concerning optimisation of a welded structure have used the mass of the product as the basis for the cost comparison. However, it can easily be shown using a simple example that the use of product mass as the sole manufacturing cost estimator is unsatisfactory. This study describes a method of formulating welding time models for cost calculation, and presents the results of the models for particular sections, based on typical costs in Finland. This was achieved by collecting information concerning welded products from different companies. The data included 71 different welded assemblies taken from the mechanical engineering and construction industries. The welded assemblies contained in total 1 589 welded parts, 4 257 separate welds, and a total welded length of 3 188 metres. The data were modelled for statistical calculations, and models of welding time were derived by using linear regression analysis. Themodels were tested by using appropriate statistical methods, and were found to be accurate. General welding time models have been developed, valid for welding in Finland, as well as specific, more accurate models for particular companies. The models are presented in such a form that they can be used easily by a designer, enabling the cost calculation to be automated.

Progress in a-Si:H/c-Si heterojunction emitters obtained by Hot-Wire CVD at 200°C

In this work, we investigate heterojunction emitters deposited by Hot-Wire CVD on p-type crystalline silicon. The emitter structure consists of an n-doped film (20 nm) combined with a thin intrinsic hydrogenated amorphous silicon buffer layer (5 nm). The microstructure of these films has been studied by spectroscopic ellipsometry in the UV-visible range. These measurements reveal that the microstructure of the n-doped film is strongly influenced by the amorphous silicon buffer. The Quasy-Steady-State Photoconductance (QSS-PC) technique allows us to estimate implicit open-circuit voltages near 700 mV for heterojunction emitters on p-type (0.8 Ω·cm) FZ silicon wafers. Finally, 1 cm 2 heterojunction solar cells with 15.4% conversion efficiencies (total area) have been fabricated on flat p-type (14 Ω·cm) CZ silicon wafers with aluminum back-surface-field contact.

Investigation of defect formation and electronic transport in microcrystalline silicon deposited by hot-wire CVD

We have investigated doped and undoped layers of microcrystalline silicon prepared by hot-wire chemical vapour deposition optically, electrically and by means of transmission electron microscopy. Besides needle-like crystals grown perpendicular to the substrate's surface, all of the layers contained a noncrystalline phase with a volume fraction between 4% and 25%. A high oxygen content of several per cent in the porous phase was detected by electron energy loss spectrometry. Deep-level transient spectroscopy of the crystals suggests that the concentration of electrically active defects is less than 1% of the undoped background concentration of typically 10^17 cm -3. Frequency-dependent measurements of the conductance and capacitance perpendicular to the substrate surface showed that a hopping process takes place within the noncrystalline phase parallel to the conduction in the crystals. The parasitic contribution to the electrical circuit arising from the porous phase is believed to be an important loss mechanism in the output of a pin-structured photovoltaic solar cell deposited by hot-wire CVD.

Studies on grain boundaries in nanocrystalline silicon grown by Hot-Wire CVD

The use of a tantalum wire in hot-wire chemical vapour deposition (HWCVD) has allowed the deposition of dense nanocrystalline silicon at low filament temperatures (1550 °C). A transition in the crystalline preferential orientation from (2 2 0) to (1 1 1) was observed around 1700 °C. Transmission electron microscopy (TEM) images, together with secondary ion mass spectrometry (SIMS) measurements, suggested that no oxidation occurred in materials obtained at low filament temperature due to the high density of the tissue surrounding grain boundaries. A greater concentration of SiH 3 radicals formed at these temperatures seemed to be responsible for the higher density.

Päällystävän paperikoneen vesikiertojen mallinnus

Työssä mallinnettiin kevyesti päällystettyjä aikakauslehtipapereita valmistavan paperikoneen vesikierrot Balas-ohjelman avulla. Mallin avulla selvitettiin paperikoneelle suunniteltujen muutosten vaikutuksia haitallisten aineiden tasoihin, muihin mallinnettuihin parametreihin ja vedenkulutukseen. Mallin luotettavuutta testattiin käytännössä tehdyillä muutoksilla. Vesinäytteistä haitallisina aineina tarkasteltiin lipofiilisten uuteaineiden, kalsiumin, alumiinin, raudan, piin ja sulfaatin pitoisuuksia. Pohjapaperinäytteistä määritettiin lipofiilisten uuteaineiden sekä kalsiumin ja alumiinin pitoisuudet. Paperikoneelle suunniteltuja muutoksia olivat kiekkosuodattimien kirkkaan suodoksen käyttö viiraosan suihkuvetenä ja päällystyksen yhteydessä syntyvän pastajätteen käyttö pohjapaperin täyteaineena. Kirkkaan suodoksen käytön lisäämisellä pyrittiin vähentämään raakaveden käyttöä. Pastajäte sisältää arvokkaita raaka-aineita, jotka kannattaisi hyödyntää paperitehtaalla. Nykyisin pastajäte kuljetetaan läjitysalueelle. Balas-mallin todettiin mallintavan melko luotettavasti liuenneiden haitallisten aineiden pitoisuuksien sekä muista parametreista muun muassa sakeuden ja tuhkapitoisuuden muutoksia. Pastajätteen palautuksen mallinnuksessa haitallisten aineiden pitoisuudet laskivat prosessissa. Tämä toteutui koeajossa, koska jätepastasta suurin osa oli vettä, joka huuhtoi prosessia. Kirkkaan suodoksen käyttö suihkuvetenä ei nostanut epäorgaanisten haitallisten aineiden pitoisuuksia niin paljon kuin malli ennusti. Todennäköisesti haitalliset aineet saostuivat tai poistuivat tuotteen mukana prosessista. Kirkassuodos-koeajon aikana otetussa pohjapaperinäytteessä kiinteän kalsiumin pitoisuus oli 40 % ja kiinteän alumiinin pitoisuus 11 % korkeampi mutta uuteaineiden pitoisuus 20 % alhaisempi kuin referenssipohjapaperissa.

Puhallinpyörien kaarijuoton taloudellisuusanalyysi

Työssä selvitettiin Fläkt Woods Groupin toimeksiannosta, onko kannattavaa vaihtaa ilmastointipuhaltimissa käytettävien puhallinpyörien valmistusmenetelmä MIG-hitsauksesta kaarijuottoon. Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa suoritetuissa tutkimuksissa oli saavutettu noin 3-5 -kertainen liitosnopeus MIG-hitsaukseen verrattuna. Koska kaarijuotto voidaan tehdä tavallisella MIG-hitsauslaitteistolla, ei menetelmän käyttöönotto aiheuta merkittäviä lisäinvestointeja. Suurin kustannuserä onkin kaarijuotossa käytettävä alumiinipronssilanka, jonka hinta asetti kyseenalaiseksi menetelmän vaihtamisen. Käytännössä kaarijuotolla saavutettiin noin 2-kertainen liitosnopeus. Pääasialliset syyt, jotka aiheuttivat liitosnopeuden jäämisen pieneksi, liittyivät kaarijuoton suureen parametriherkkyyteen ja puhallinpyörän vaikeaan geometriaan. Tehdyt kokeet osoittivat, että puhallinpyöräkoon kasvaessa kaarijuotto onnistuu paremmin. Käyttämällä kaarijuottoa vain suurimpiin puhallinpyöriin päästäisiin myös hitsausta vastaaviin kannattavuuslukuihin, vaikka kapasiteettilisäys jäisi melko vaatimattomaksi. Tällöin myös teknisten ongelmien määrä jäisi mahdollisimman vähäiseksi. Osittainenkin kaarijuoton käyttöönotto olisi hyödyllistä, sillä näin saataisiin käyttökokemuksia ja tietämystä kaarijuoton käyttäytymisestä. Nämä tiedot ovat tärkeitä, mikäli kaarijuotto osoittautuu kannattavaksi esimerkiksi hitsauspituuden kasvaessa tai jos alumiinipronssilangan hinta laskee.

Partikkelikokoanalyysimenetelmän kehittäminen

Päällystettyä paperia valmistettaessa syntyy päällystettyä hylkyä, joka kierrätetään takaisin prosessiin raaka-aineen tehokkaaksi hyödyntämiseksi. Hylyn mukana takaisin paperikoneen lyhyeen kiertoon päätyy myös pigmenttiaines levymäisinä partikkeleina. Nämä partikkelit rejektoituvat lyhyen kierron pyörrepuhdistimilla. Raaka-aineen hävikin pienentämiseksi käytetään lyhyessä kierrossa täyteaineen talteenottojärjestelmää, jonka tehtävänä on hienontaa päällystysainepartikkelit tasakokoisiksi, jotta ne voitaisiin palauttaa prosessiin. Talteenottolaitteistojen toiminnan tarkkailun kannalta on keskeistä tietää pyörrepuhdistuslaitoksen eri jakeiden partikkelikokojakaumat juuri pigmenttipartikkelien osalta. Tätä määritystä häiritsee näytteissä oleva kuitu. Tässä työssä pyrittiin löytämään partikkelikokoanalyysimenetelmä, jolla pigmenttien partikkelikokojakauma saataisiin selvitettyä kuidusta huolimatta. Aiemmin käytetty näytteen tuhkaus esikäsittelynä ennen partikkelikokoanalyysiä laserdiffraktiometrillä on osoittautunut toimimattomaksi. Kokeiden pääpaino keskittyi näytteen esikäsittelyyn fraktioinnilla ennen laserdiffraktioanalyysiä ja virtaussytometriamittauksiin. Fraktiointiin käytettiin DDJ-laitetta (dynamic drainage jar), joka oli varustettu metalliviiralla. Kumpikaan menetelmistä ei ollut täysin toimiva partikkelikokoanalyysiin, fraktioinnilla saadaan vähennettyä kuidun partikkelikokojakaumaan aiheuttamaa virhettä, mutta sen toimivuus riippuu paljolti näytteestä. Virtaussytometrialla väriainetta SYTO13 käyttämällä saadaan pigmenttipartikkelit tunnistettua ja näin rajattua kuidut pois mittauksista, mutta pigmenttiä ei saada erotettua puuperäisestä hienoaineesta, mikä vääristää mittaustulosta.

Hot wire configuration for depositing device grade nano-crystalline silicon at high deposition rate

The University of Barcelona is developing a pilot-scale hot wire chemical vapor deposition (HW-CVD) set up for the deposition of nano-crystalline silicon (nc-Si:H) on 10 cm × 10 cm glass substrate at high deposition rate. The system manages 12 thin wires of 0.15-0.2 mm diameter in a very dense configuration. This permits depositing very uniform films, with inhomogeneities lower than 2.5%, at high deposition rate (1.5-3 nm/s), and maintaining the substrate temperature relatively low (250 °C). The wire configuration design, based on radicals' diffusion simulation, is exposed and the predicted homogeneity is validated with optical transmission scanning measurements of the deposited samples. Different deposition series were carried out by varying the substrate temperature, the silane to hydrogen dilution and the deposition pressure. By means of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the evolution in time of the nc-Si:H vibrational modes was monitored. Particular importance has been given to the study of the material stability against post-deposition oxidation.

Progress in single junction microcrystalline silicon solar cells deposited by Hot-Wire CVD

Hot-Wire Chemical Vapor Deposition has led to microcrystalline silicon solar cell efficiencies similar to those obtained with Plasma Enhanced CVD. The light-induced degradation behavior of microcrystalline silicon solar cells critically depends on the properties of their active layer. In the regime close to the transition to amorphous growth (around 60% of amorphous volume fraction), cells incorporating an intrinsic layer with slightly higher crystalline fraction and [220] preferential orientation are stable after more than 7000 h of AM1.5 light soaking. On the contrary, solar cells whose intrinsic layer has a slightly lower crystalline fraction and random or [111] preferential orientation exhibit clear light-induced degradation effects. A revision of the efficiencies of Hot-Wire deposited microcrystalline silicon solar cells is presented and the potential efficiency of this technology is also evaluated.

Paperikoneen uuden lyhytkiertoprosessin sovellutuskehitys

Työssä tutkittiin uuden ShortFlowÔ-konseptin eri osa-alueiden toimivuutta paperikoneen lyhytkierrossa. Prosessin sekoituspumppuna perinteinen keskipakopumppu korvataan potkuri-pumpulla, joten työssä selvitettiin uudentyyppisen pumpun kavitointirajat, säädettävyys ja sen soveltuminen suunniteltuun tehtävään ja toiminta-alueeseen. Prosessiin kuuluu myös uudentyyppinen viirakaivo, josta selvitettiin sen kyky poistaa ilmaa ja virtauskäyttäytyminen kaivossa. Hienopaperikoneen osalta kartoitettiin prosessiin liittyviä riskejä ja ShortFlowÔ-lyhytkiertoprosessin kannattavuutta investointina. Työn kirjallisessa osassa on käsitelty lyhytkiertoa eri osa-alueittain. Aluksi on lyhytkierron yleisempi tarkastelu, jossa on selvitetty lajittelua, ilmanpoistoa ja pumppauksia. Erityisempää huomiota on kiinnitetty ShortFlowÔ-lyhytkiertoprosessiin liittyviin erityispiirteisiin joita ovat sakeamassalajittelu, täyteaineet paperitehtaalla, hylky ja virtausten sekoittuminen. Sekoituspumpun osalta on käsitelty myös kavitointia hieman tarkemmin. Työn kokeellisessa osassa suunniteltiin prosessin koelaitteisto, joka myös koeajettiin. Potkuripumpun koeajossa määritettiin potkuripumpun toiminta-alue ja säädettävyys. Pumpun todettiin sekoittavan ja ilman vaikutus potkuripumpun ominaisuuksiin todettiin merkityksettömäksi pumpun toiminta-alueella. Viirakaivon koeajossa selvisi, että viirakaivo poistaa ilmaa suunnittelualueella ja kaivolle löytyi muoto, jossa virtauskäyttäytyminen viirakaivossa eri laskeutumisnopeuksilla on mahdollisimman häiriötöntä. Hienopaperikoneen osalta riskien kartoituksessa selvisi, ettei täyteaine aiheuta ongelmia ja että päällystelaattaa sisältävä hylky on lajiteltava ennen lyhytkiertoa. ShortFlowÔ-lyhytkiertoprosessi oli edullisin sekä käyttö- että investointikustannuksiltaan.

Kunnossapitohitsaus vaneritehtaassa

Diplomityöni tavoitteena on selvittää mekaanisen puunjalostuksen kunnossapitohitsauksessa huomioitavat asiat ja laatia niiden pohjalta vaneritehtaan käyttöön kunnossapitohitsauksen ohjeistus. Diplomityössä käsiteltiin yhtä kunnossapidon aluetta, hitsausta. Työssä esiteltiin erilaisia hitsaukseen liittyviä määritelmiä ja menetelmiä. Käytännön kokeet oli valittu esimerkkitehtaalle tärkeistä kohteista. Diplomityö tehtiin vaneriteollisuuden koneita suunnittelevaan ja toimittavaan yritykseen. Käytännön kokeet suoritettiin toimivassa vaneritehtaassa. Teoriaosassa keskityttiin sellaisiin osa - alueisiin, jotka liittyvät vaneritehtaan jokapäiväiseen kunnossapitohitsaukseen. Käytännön osuudessa havaittiin tiettyjä kokeesta toiseen toistuvia puutteita. Tällaisia olivat mm. vajaa hitsautumissyvyys, lisäaineiden käsittely, puikon koon valinta ja railon valmistus. Näiden seikkojen kautta vahvistui käsitys ohjeistuksen tarpeellisuudesta, joka oli jo työn tavoitteissa yhtenä päämääränä. Ongelmia esiintyi myös eräiden materiaalien hitsauksessa. Tämä alue tulee hoitaa kuntoon koulutuksella pikimmiten. Tilanne esimerkkitehtaassa kunnossapitohitsauksen osalta oli parempi kuin alun perin oletettiin. Muutamien puutteiden poistamisen, ohjeistuksen ja koulutuksen jälkeen tilanne tulee olemaan hyvä. Innostusta hitsauksen salojen selville saamiseen on kunnossapidon työntekijöiden joukossa.

Optoelectronic studies in nanocrystalline silicon Schottky diodes obtained by Hot-Wire Chemical Vapour Deposition

The very usual columnar growth of nanocrystalline silicon leads to electronic transport anisotropies. Whereas electrical measurements with coplanar electrodes only provide information about the electronic transport parallel to the substrate, it is the transverse transport which determines the collection efficiency in thin film solar cells. Hence, Schottky diodes on transparent electrodes were obtained by hot-wire CVD in order to perform external quantum efficiency and surface photovoltage studies in sandwich configuration. These measurements allowed to calculate a transverse collection length, which must correlate with the photovoltaic performance of thin film solar cells. Furthermore, the density of charge trapped at localized states in the bandgap was estimated from the voltage dependence of the depletion capacitance of these rectifying contacts.