Remote Continuous Evaluation of a Bridge Constructed Using High-Performance Steel, 2006

Of the approximately 25,000 bridges in Iowa, 28% are classified as structurally deficient, functionally obsolete, or both. The state of Iowa thus follows the national trend of an aging infrastructure in dire need of repair or replacement with a relatively limited funding base. Therefore, there is a need to develop new materials with properties that may lead to longer life spans and reduced life-cycle costs. In addition, new methods for determining the condition of structures are needed to monitor the structures effectively and identify when the useful life of the structure has expired or other maintenance is needed. High-performance steel (HPS) has emerged as a material with enhanced weldability, weathering capabilities, and fracture toughness compared to conventional structural steels. In 2004, the Iowa Department of Transportation opened Iowa's first HPS girder bridge, the East 12th Street Bridge over I-235 in Des Moines, Iowa. The objective of this project was to evaluate HPS as a viable option for use in Iowa bridges with a continuous structural health monitoring (SHM) system. The scope of the project included documenting the construction of the East 12th Street Bridge and concurrently developing a remote, continuous SHM system using fiber-optic sensing technology to evaluate the structural performance of the bridge. The SHM system included bridge evaluation parameters, similar to design parameters used by bridge engineers, for evaluating the structure. Through the successful completion of this project, a baseline of bridge performance was established that can be used for continued long-term monitoring of the structure. In general, the structural performance of the HPS bridge exceeded the design parameters and is performing well. Although some problems were encountered with the SHM system, the system functions well and recommendations for improving the system have been made.

Levyrakenteistentuotteiden hitsauksen automatisointi

Työn teoriaosassa esitellään automatisodun hitsauksen etuja ja vaatimuksia. Teoriaosuuden edetessä keskitytään erityisesti robotisoituun MIG/MAG -hitsaukseen sekä teknisestä että taloudellisesta näkökulmasta katsottuna. Työn kokeelliseen osaan osallistui kaksi metallialan yritystä Pohjois-Karjalan alueelta. Ensimmäisessä yrityksessä kartoitettiin nykyisestä tuotannosta robottihitsattavia tuotteita. Tarkasteluun valituille tuotteille määriteltiin sopiva hitsausrobottijärjestelmä. Yrityksen tuotannolle oli ominaista asiakasohjautuva tuotanto, suhteellisen pienet sarjat ja tuotteet, joissa oli vähän hitsattavaa. Toisessa yrityksessä eräästä tuoteperheestä otettiin yksi tuote. Tuotteen avulla tutkittiin tuoteperheen hitsauksen automatisoinnin mahdollisuuksia ja sen aiheuttamia ongelmia. Suurimmat ongelmat tuotteen hitsauksen automatisoituessa ovat liitosten luoksepäästävyys, muodonmuutokset hitsauksen aikana ja erilaisten käytettävien materiaalien runsaus. Ensimmäisessä yrityksessä hitsattavien materiaalien paksuudet ovat pääosin kolme millimetriä tai sen alle. Toisessa yrityksessä hitsattavien materiaalin paksuudet ovat pääsääntöisesti yli kolme millimetriä. Työn kokeellisessa osassa vertaillaan ohuiden ja paksujen levyrakenteisten tuotteidenhitsauksen automatisoinnin yhteneväisyyksiä ja eroja teorian- ja käytännön osuuksien valossa.

Mangaaniseosteisen duplex-teräksen hitsattavuus

Diplomityön tavoitteena oli selvittää mangaaniseosteisen LDX2101 duplex-teräksen ja LDX2101 hitsauslisäaineiden hitsausparametrit puikkohitsaus-, MAG-täytelankahitsaus- ja plasmahitsausprosessilla. Toisena tavoitteena oli selvittää lämmöntuonnin vaikutuksia hit-sausliitosten mekaanisiin ominaisuuksiin, iskusitkeyteen (-40 °C) ja ferriitti- / austeniittipitoi-suuksien jakaantumiseen. Tutkittavat hitsit olivat päittäishitsejä ja koelevyjen aineenpaksuus oli 6 mm. Koetulosten perusteella tehtiin hitsausohjeet kyseisille hitsausprosesseille. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty yleisesti duplex-terästen käyttökohteita, mekaanisia ja kemiallisia ominaisuuksia sekä duplex-terästen korroosio-ominaisuuksia. Lisäksi on käsitelty eri hitsausprosesseja ja duplex-terästen hitsattavuutta, jossa selvitetään mm. terästen jähmet-tymistä, erkaumia ja faaseja, lämmöntuonnin vaikutuksia ja hitsausliitosten korroosionkestä-vyyttä. Teoriaosassa on kerrottu myös hitsausliitosten tarkastuksesta ja hitsiluokista. Työn kokeellisessa osassa esitellään kokeiden suoritus sekä ainetta rikkova ja ainetta rikko-maton tarkastus. Liitoksille suoritettava koestusohjelma noudatti pääosin menetelmäkoestan-dardin SFS-EN 15614-1 ohjetta. Hitseille tehtiin ainetta rikkomaton tarkastus, joka käsittää silmämääräisen tarkastuksen, pintatarkastuksen ja röntgentarkastuksen. Rikkovaa aineen-koetusta tehtiin sisältäen kovuusmittaukset, vetokokeet, taivutuskokeet jaiskusitkeyskokeet. Lisäksi valmistettiin metallografiset hieet, joita tutkimalla selvitettiin hitsausliitoksen metal-lurgiaa ja määriteltiin ferriitti- ja austeniittipitoisuudet. Kokeiden perusteella on laadittu hit-sausohjeet kullekin hitsausprosessille. Lisäksi kokeellisessa osassa on esitelty tulokset syö-pymäkokeesta, jossa selvitettiin eri materiaalien syöpymiskestävyyttä valkolipeäliuoksessa. Tutkimustuloksien perusteella LDX2102 duplex-materiaali onhyvin hitsattavaa laajalla hit-sausparametrialueella. Mekaaniset ominaisuudet, kuten lujuus- ja iskusitkeysarvot täyttävät materiaalistandardin SFS-EN10028-7 niille asettamat vaatimukset. Taivutussitkeys ja murto-venymät jäivät kuitenkin osalla koekappaleista vaatimustasoa alhaisemmiksi. Austeniitti- ja ferriittipitoisuudet vastaavat materiaalistandardin vaatimuksia.

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.

Robottihitsauksen tehokas käyttöönotto

Työn tavoitteena oli selvittää uuden robottihitsaussolun käyttöönotto siten, että se tapahtuu mahdollisimman tehokkaasti ja taloudellisesti. Uudella robotilla on tarkoitus hitsata nykyisin käsinhitsattavia kauhakuormaajien takarunkoja sekä alihankintana tilattavia kauhoja. Tuotannon kotiuttamisella alihankinnasta ja hitsauksen robotisoinnilla pyritään nostamaan omaa tuotantovolyymiä ja pienentämään valmistuskustannuksia. Työn teoriaosuudessa selvitettiin tyypilliset robotiikkaan liittyvät asiat, kuten robotit, niiden ohjaus ja ohjelmointi sekä perusteet hitsauksen robotisoinnista. Lisäksi käsiteltiin hitsattavan tuotteen suunnittelu- ja valmistusnäkökohtia ja hitsauksen kustannuslaskennan perusteet. Työn käytännön osuudessa tehtiin kartoitus kahden valitun takarunkomallin soveltuvuudesta robottihitsaukseen ja muutosehdotuksia, joilla voidaan parantaa runkojen robottihitsattavuutta. Lisäksi käytiin läpi hitsauksen nykytilanne osavalmistuksesta aina hitsauksen jälkeiseen viimeistelyyn. Hitsauksen kustannusten selvittämistä varten tehtiin taulukkolaskentaohjelma, jolla tehtiin esimerkkinä kuvitteellinen kustannussäätölaskelma. Tuottavuusmittari laadittiin niin, että sillä voidaan mitata sekä robotin että kokohitsaustapahtuman tehokkuutta pitkällä ja lyhyellä aikavälillä. Näiden lisäksi laadittiin sisäinen ohje robottihitsattavien kappaleiden silloitukseen sekä suunnittelijoille ohjeistus huomioitavista asioista suunniteltaessa kappaletta robottihitsaukseen.

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.

Hitsaustuotannon tehostaminen robotisoinnin avulla

Tuotannon tehostaminen ja tätä kautta saavutettava lisäkapasiteetti ja yksikkökustannusten aleneminen ovat seikkoja, joita täytyy jatkuvasti miettiä, jotta yrityksen kilpailukyky markkinoilla pysyy hyvänä ja liiketoiminta kannattavana. Keinoja tuotannon tehostamiseen on useita, mutta tässä työssä on keskitytty hitsaavan yrityksen hitsaustuotannon kehittämiseen ja keinoina on käytetty lähinnä hitsauksen ja leikkauksen robotisointia. Myös tehokkaampien hitsausprosessien hyödyntämistä on käsitelty teoreettisella tasolla. Työn teoriaosuudessa on pyritty käsittelemään robotisointia kokonaisvaltaisesti hankintapäätökseen vaikuttavista tekijöistä aina robotin käyttöönottoon ja robotin toiminnan tehostamiseen asti. Robotisoinnilla saavutettavia hyötyjä ja robotisoinnin aiheuttamia vaatimuksia on käyty läpi, ja myös robotisoinnin taloudellisen kannattavuuden arviointikeinoja on esitelty. Työn käytännön osuudessa on käsitelty robotisointia GaV Group Oy:n tuotannon kannalta. Tuotteiden robotisoitua hitsattavuutta on arvioitu, ja robotisoituun hitsaukseen sekä tekniseltä että vuosivolyymiltään sopivia tuotteita on esitelty ja robotille kertyviä vuosittaisia käyttötunteja arvioitu. Näiden seikkojen pohjalta on arvioitu myös robotti-investoinnin kannattavuutta. Työn viimeisenä vaiheena on määritetty yrityksen tarpeisiin parhaiten sopivan robottisolun sisältö ja konkreettinen sijainti tehtaassa.

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.

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

Trolley R&D project for a small portal log yard crane

This master’s thesis was done for Andritz Inc. Atlanta Georgia. The purpose of the thesis was to develop a new trolley for a small portal log yard crane. In the beginning of the thesis the basic principles of the systematic design processes have been described, along which the design work of the trolley has proceeded. The second literature part consists of the design and dimensioning of the welded steel structures under fatigue loading. The design work of the trolley consists of the engineering and the selection of the mechanical components and the design of the load carrying structure for the trolley. The realization of the steel structure of the trolley is based on the fatigue and static dimensioning. The fatigue dimensioning is grounded in the life expectations estimated for the trolley and the static dimensioning is based on the CMAA guidelines. The computer aided element method was utilized in the design of the steel structure. The effective notch method and the hot spot method were used in the fatigue calculations. The trolley structure was carried out by using the sheet metal parts in order to manufacture the structure as effective and low cost way as possible. The corner stone of the dimensioning of the trolley structure was the utilization of the open profiles made of welded or cold formed sheet metals, which provide better weldability, weld inspection, access for repairs and corrosion protection. As a last part of the thesis a new trolley traveling system was developed. The distribution of the wheel loads of the trolley bogies on the main girder was also studied, which led to an innovative suspension arrangement between the trolley leg and the bogie. The new bogie solution increases the service life of the main girder of the crane and improves the stability of the bogies. The outcome of the thesis is an excellent trolley structure from the weight and the service life point of view.

Alumiiniveneen rungon modulointi robottihitsauksen tehostamiseksi

Alumiiniveneiden valmistuksessa hitsauksen automatisointiaste on hyvin matala. Kilpailukyvyn säilyttämiseksi on tärkeää saada automatisointiastetta nostettua ja tätä kautta hitsauskustannuksia alennettua. Automatisoinnin esteenä ei ole teknologian puute, vaan ongelmana on alumiiniveneiden rakenteen huono soveltuvuus automatisoituun tuotantoon. Rakenteen kehittäminen modulaariseksi on yksi mahdollisuus tehostaa robottihitsausta venerunkojen valmistuksessa. Tässä diplomityössä tutkittiin modulaarisuutta, modulointiin johtavia tekijöitä sekä modulaarisuudella mahdollisesti saavutettavia etuja valmistavassa teollisuudessa ja erityisesti robottihitsauksessa. Lisäksi käsiteltiin modulointiin läheisesti liittyvää valmistus- ja kokoonpanoystävällistä suunnittelua. Työssä tehtiin modulointiesimerkki huviveneen rungon robottihitsauksen tehostamiseksi. Veneen runko ja siihen suunniteltu jäykisterakennemoduuli mallinnettiin käyttäen SolidWorks-ohjelmistoa sekä Delmia V5-ohjelmistoon sisällytettyä Catia V5-suunnitteluympäristöä. Suunnitellun modulaarisen rakenteen hitsattavuutta ja hitsaukseen kuluvaa aikaa simuloitiin Delmia V5-ohjelmistolla. Modulaarisen rakenteen avulla robottihitsattavuutta on mahdollista tehostaa erityisesti rungon sisäisen jäykisterakenteen osalta. Kun tuotteesta on suurempi osa hitsattavissa robotin avulla, on myös robotisointi-investoinnit kannattavampia. Modulaarisuuden avulla voidaan päästä myös pienillä tuotantomäärillä sarjatuotannon etuihin, kun samaa moduulia voidaan käyttää vähäisillä muutoksilla useammassa eri venemallissa.

Hitsaustuotannon kehittäminen verkostoyrityksessä

Tässä diplomityössä tarkasteltiin Total Welding Management -menetelmän soveltamista verkostoituneeseen toimintaan. TWM on menetelmä hitsaustuotannon kehittämiseen ja se on tarkoitettu käytettäväksi tilanteessa, jossa yksi yritys vastaa sekä suunnittelusta että hitsauksesta. Verkostoituneessa hitsaustuotannossa tuotteen suunnittelu ja hitsaus eivät välttämättä ole kokonaan saman yrityksen vastuulla. Se tuo oman haasteensa TWM:n implementointiin. Työssä käytiin läpi verkostojen ja TWM:n teoriaa, sekä pohdittiin mahdollisia ongelmia TWM:n soveltamisessa verkostoihin. Käytännön osuudessa TWM:n avulla kehitettiin esimerkkituotteen, jonka suunnittelusta ja hitsauksesta vastaa kaksi eri yritystä, hitsaustuotantoa. Suunnitelluilla kehitystoimenpiteillä arvioitiin olevan mahdollista lyhentää tuotteen valmistusaikaa 11,9 %. Lisäksi todettiin, että TWM soveltuu käytettäväksi myös verkostoissa, vaikkakin se tuo mukanaan lisähaasteita.

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.

Jännityssuhteen vaikutus ultralujan teräksen hitsausliitoksen väsymislujuuteen

Aiempien ultralujia teräksiä koskevien tutkimusten jatkoksi tässä diplomityössä keskityttiin jännityssuhteen varioinnin tuomien ilmiöiden esille tuomiseen koesauvojen väsytyskoestuk-sessa. Pohjana diplomityölle ovat mm. Timo Björkin tutkimustulokset ULTRASTEEL-hankkeesta sekä Tuomas Skrikon kandidaatintyöhönsä koostamat väsytyskoetulokset. Testattujen 12 koesauvan väsytyskoetulosten perusteella jännityssuhteen kasvattaminen alen-taa hitsattujen ultralujien teräsrakenteiden FAT-luokitusta. FAT-luokkien ja jännityssuhteen välillä on havaittu säännönmukaisuutta ja huomattavaa FAT-luokituksen lasku on jännitys-suhteen 0.35 jälkeen. Jälkikäsiteltyjen koesauvojen FAT-luokat ovat jälkikäsittelemättömiä parempia. Myös käsit-telemättömillä sauvoilla päästään mekanisoidussa MAG-hitsauksessa keskimääräisen kone-pajalaadun FAT = 100 MPa yläpuolelle.

Optimization of strength and toughness on the effect of the weldable high strength steels (hss) used in offshore structures

Optimization of high strength and toughness combination on the effect of weldability is very vital to be considered in offshore oil and gas industries. Having a balanced and improved high strength and toughness is very much recommended in offshore structures for an effective production and viable exploration of hydrocarbons. This thesis aims to investigate the possibilities to improve the toughness of high strength steel. High carbon contents induce hardness and needs to be reduced for increasing toughness. The rare combination of high strength with high toughness possibilities was examined by determining the following toughening mechanism of: Heat treatment and optimal microstructure, Thermomechanical processing, Effect of welding parameters on toughness and weldability of steel. The implementation of weldability of steels to attain high toughness for high strength in offshore structures is mostly in shipbuilding, offshore platforms, and pipelines for high operating pressures. As a result, the toughening mechanisms suggested have benefits to the aims of the effect of high strength to high toughness of steel for efficiency, production and cost reduction.