Hitsatun alumiinirakenteen suunnittelu

Alumiiniseosten käyttö konstruktiomateriaalina lisääntyy johtuen sen lukuisista variaatioista lujuuden ja muovattavuuden suhteen. Alumiinin keveys on merkittävä kilpailuetu teräkseen nähden. Alumiiniseosten hitsattavuus on parantunut hitsausmenetelmien kehittyessä. Uusilla menetelmillä lämmöntuontia hallitaan paremmin, kuten myös alumiinin huokoisuutta sekä lujuuden laskua hitsauksen yhteydessä. Tässä diplomityössä tutkitaan alumiinin metallurgiaa, hitsausmenetelmiä, sekä alumiinin ja teräksen sekaliitoksen toteutusta. Tutkimuksella pyritään tekemään hitsatun alumiinirakenteen suunnittelua ymmärrettävämmäksi. SFS-EN standardit antavat perustuksen alumiinirakenteen suunnittelulle. Tässä diplomityössä tehdään suunnitteluesimerkki hitsatun alumiinirakenteen hitsien suunnittelusta. Suunnitteluesimerkissä tutkitaan alumiiniseoksen lujuuden laskua hitsattaessa, ja etsitään standardien antamia ratkaisuja toimivan hitsatun rakenteen toteuttamiseksi.

Modulaarinen arkkitehtuuri tuoteperheen kehittämisessä

Modulaarisen tuotteen kehittäminen tehostaa yrityksen kilpailukykyä ja helpottaa asiakkaiden tarpeiden tyydyttämistä. Tuoteperheen edut verrattaessa massatuotantoon ovat laajempi tuotevalikoima sekä parempi tuotettavuus massaräätälöintiin verrattuna. Eri tuotevaihtoehtoja ja moduuleja on mahdollista kehittää rinnakkain. Moduloitava tuoteperhe helpottaa yrityksen eri vaiheita aina tuotteen suunnittelusta huoltotoimenpiteisiin ja lopulta tuotteen purkamiseen. Asiakkaille tärkeitä hyötyjä moduloinnin osalta ovat tuotteiden parempi laatu ja huollettavuus. Täysin uuden modulaarisen tuoteperheen kehittäminen vaatii runsaasti resursseja suunnitteluosastolla. Modulaarisessa tuotteessa suunnittelutyö voidaan kohdistaa vain tietyn moduulin kohdalle ja suunnitteluaikoja saadaan täten lyhennettyä. Tässä kandidaatintyössä tutkittiin, miten hitsausautomaatiosovelluksissa modulaarisuus on toteutettu sekä pohditaan kehityskohteita, koska hitsausautomaatiosovelluksia tuotetaan runsaasti asiakasräätälöintinä. Tarkasteltavana tuoteperheenä oli robottihitsausportaalit ja hitsaustornit.

Laser- plasma- hybridihitsauksen käytettävyys teollisuudessa

Hybridihitsaukseksi nimitetään yleensä hitsausprosesseja, joissa yhdistetään kaari- ja laserhitsauksen vahvuudet. Laser- MIG/MAG- prosessit ovat näistä selvästi yleisimpiä, mutta muillekin prosesseille on sovelluksia. Tässä kandidaatintyössä on arvioitu laser- plasma- hybridihitsausprosessin käytettävyyttä teollisuuden prosesseissa. Arviointi on tehty vertailevana kirjallisuustutkimuksena laser- plasma- hybridiprosessin, laserhitsauksen, sekä muiden laser- hybridihitsausprosessien kesken. Prosessien vertailun lisäksi työssä on käsitelty hybridihitsausprosessien parametrien valintaa ja laser- plasma- hybridiprosessin erityispiirteitä.

Vedenalainen hitsaus

Tässä kandidaatintyössä esitellään ensin vedenalainen hitsaus yleisesti. Työssä käydään läpi vedenalaisen hitsauksen eri pääalueet ja niissä käytetyt hitsaustekniikat, sekä tarkastellaan veden vaikutusta hitsiin. Työ sisältää myös materiaali esimerkkejä, joita vedenalaisessa hitsauksessa käytetään. Vedenalainen hitsaus toimii asennus- ja korjaushitsauksena. Hitsausprosessit, joita työssä käsitellään, ovat puikko-, täytelanka- ja kitkahitsaus. Näitä hitsaustekniikoita käytetään märkähitsauksessa, mikä poikkeaa selvästi kuivassa ympäristössä tapahtuvaan hitsaamiseen, jossa hitsi ei pääse välittömästi kosketukseen veden kanssa. Työn tarkoituksena on antaa informaatiota vedenalaisesta hitsauksesta ja sen hyödyntämisestä hitsaustekniikassa.

Sellumassan varastosäiliön rakenneanalyysi

Tämä työ käsittelee valkaistun ja valkaisemattoman sellumassan varastosäiliön tärinää ja värähtelyä. Värähtelyn seurauksena säiliön seinämän jäykisterenkaan hitsausliitokseen on syntynyt särö. Työn tavoitteena on selvittää, mikä johtaa särön syntyyn ja miten kestäväm-piä varastosäiliöitä voidaan rakentaa materiaali-, valmistus- tai rakennemuutoksien avulla. Työ alkoi tutkimalla rakennemateriaalina olevan duplex-teräksen mikrorakenteen ominai-suuksia, sekä sen hitsattavuutta ja seostamista kirjallisuustutkimuksena. Kirjallisuustutki-musta jatkettiin selvittämällä mahdollisia vaurion syntymekanismeja seinämän särölle. Työssä analysoitiin myös tehtaalla mitattuja värähtelyarvoja. Lopuksi laskettiin FE-analyysillä tyhjän varastosäiliön ominaismuodot ja -taajuudet moodianalyysillä, sekä selvi-tettiin harmonisella analyysillä pinnankorkeuden vaihtelun vaikutus siirtymävasteeseen ja kriittisiin värähtelytaajuuksiin. Varastosäiliöön kohdistuvaa värähtelyä ei ole mahdollista poistaa kokonaan, mutta väräh-telyn aiheuttamia seurauksia kyetään rajaamaan useilla keinoilla. Toimenpiteinä voivat olla ainakin seinämän materiaalin paksuuden lisääminen, jäykisteripojen lisääminen ja kriittisten sellun pinnankorkeuksien välttäminen. Kriittiseksi pinnankorkeudeksi havaittiin 40–45 %:n täyttöaste ja turvalliseksi korkeudeksi 35–38 %:n täyttöaste. Varastosäiliölle kriittisen ominaistaajuuden katsotaan syntyvän taajuuksilla 3,3–3,8 Hz ja 5,8–6,4 Hz. Sellumassa putoaa varastosäiliöön noin 2 Hz taajuudella.

Real-time adaptive control of ultra-fast laser scribing process with spectrometer online monitoring

There exist several researches and applications about laser welding monitoring and parameter control but not a single one have been created for controlling of laser scribing processes. Laser scribing is considered to be very fast and accurate process and thus it would be necessary to develop accurate turning and monitoring system for such a process. This research focuses on finding out whether it would be possible to develop real-time adaptive control for ultra-fast laser scribing processes utilizing spectrometer online monitoring. The thesis accurately presents how control code for laser parameter tuning is developed using National Instrument's LabVIEW and how spectrometer is being utilized in online monitoring. Results are based on behavior of the control code and accuracy of the spectrometer monitoring when scribing different steel materials. Finally control code success is being evaluated and possible development ideas for future are presented.

Suurlujuusterästen hitsausliitoksen muutosvyöhykkeen metallurgiset muutokset

Tässä kandidaatintyössä käsitellään suurlujuusteräksiä ja niiden hitsausta, keskittyen varsinkin hitsauksessa perusaineeseen syntyvään muutosvyöhykkeeseen. Työn alkuosio on suoritettu kirjallisuustutkimuksena ja siinä käydään läpi yleisesti suurlujuusterästen määrittelyä, valmistustapoja, hitsausta ja hitsaukseen liittyviä erityisnäkökohtia. Työn loppuosassa on tutustuttu suurlujuusteräksiä hitsattaessa syntyvään muutosvyöhykkeeseen koehitsien avulla. Suurlujuusteräksille ei ole luotu yleistä standardisoitua määrittelyasteikkoa, mutta teräksiä aletaan usein pitämään suurlujuusteräksinä kun niiden myötöraja ylittään 460–550 MPa. Tällaisia teräksiä voidaan valmistaa pääasiassa joko nuorruttamalla, termomekaanisesti valssaamalla tai suorakarkaisemalla. Valmistustavalla on suuri vaikutus teräksen hitsattavuuteen. Nuorrutetuille teräksille hitsattaessa muodostuvan muutosvyöhykkeen karkearakeisen osion raekoko voi kasvaa huomattavasti varsinkin suurempia lämmöntuonteja käytettäessä ja täten aiheuttaa merkittävääkin kovuuden kasvua, kuten myös tämän kandidaatintyön koehitseissä havaittiin. Termomekaanisesti valmistetuilla teräksillä ei vastaavanlaista kovuuden kasvua yleensä ilmene. Valmistustavasta riippumatta suurlujuusterästen mekaaniset ominaisuudet vaikuttaisivat heikentyvän kyseisellä vyöhykkeellä suurempia lämmöntuonteja käytettäessä. Suurlujuusterästen hitsausliitosten laatua pyritäänkin parantamaan jatkuvasti esimerkiksi kehittämällä materiaaleista paremmin hitsattavia ja hitsausprosesseista paremmin suurlujuusteräksien erityistarpeita huomioivia.

A reaction engineering approach to homogeneously catalyzed glycerol hydrochlorination

The production of biodiesel through transesterification has created a surplus of glycerol on the international market. In few years, glycerol has become an inexpensive and abundant raw material, subject to numerous plausible valorisation strategies. Glycerol hydrochlorination stands out as an economically attractive alternative to the production of biobased epichlorohydrin, an important raw material for the manufacturing of epoxy resins and plasticizers. Glycerol hydrochlorination using gaseous hydrogen chloride (HCl) was studied from a reaction engineering viewpoint. Firstly, a more general and rigorous kinetic model was derived based on a consistent reaction mechanism proposed in the literature. The model was validated with experimental data reported in the literature as well as with new data of our own. Semi-batch experiments were conducted in which the influence of the stirring speed, HCl partial pressure, catalyst concentration and temperature were thoroughly analysed and discussed. Acetic acid was used as a homogeneous catalyst for the experiments. For the first time, it was demonstrated that the liquid-phase volume undergoes a significant increase due to the accumulation of HCl in the liquid phase. Novel and relevant features concerning hydrochlorination kinetics, HCl solubility and mass transfer were investigated. An extended reaction mechanism was proposed and a new kinetic model was derived. The model was tested with the experimental data by means of regression analysis, in which kinetic and mass transfer parameters were successfully estimated. A dimensionless number, called Catalyst Modulus, was proposed as a tool for corroborating the kinetic model. Reactive flash distillation experiments were conducted to check the commonly accepted hypothesis that removal of water should enhance the glycerol hydrochlorination kinetics. The performance of the reactive flash distillation experiments were compared to the semi-batch data previously obtained. An unforeseen effect was observed once the water was let to be stripped out from the liquid phase, exposing a strong correlation between the HCl liquid uptake and the presence of water in the system. Water has revealed to play an important role also in the HCl dissociation: as water was removed, the dissociation of HCl was diminished, which had a retarding effect on the reaction kinetics. In order to obtain a further insight on the influence of water on the hydrochlorination reaction, extra semi-batch experiments were conducted in which initial amounts of water and the desired product were added. This study revealed the possibility to use the desired product as an ideal “solvent” for the glycerol hydrochlorination process. A co-current bubble column was used to investigate the glycerol hydrochlorination process under continuous operation. The influence of liquid flow rate, gas flow rate, temperature and catalyst concentration on the glycerol conversion and product distribution was studied. The fluid dynamics of the system showed a remarkable behaviour, which was carefully investigated and described. Highspeed camera images and residence time distribution experiments were conducted to collect relevant information about the flow conditions inside the tube. A model based on the axial dispersion concept was proposed and confronted with the experimental data. The kinetic and solubility parameters estimated from the semi-batch experiments were successfully used in the description of mass transfer and fluid dynamics of the bubble column reactor. In light of the results brought by the present work, the glycerol hydrochlorination reaction mechanism has been finally clarified. It has been demonstrated that the reactive distillation technology may cause drawbacks to the glycerol hydrochlorination reaction rate under certain conditions. Furthermore, continuous reactor technology showed a high selectivity towards monochlorohydrins, whilst semibatch technology was demonstrated to be more efficient towards the production of dichlorohydrins. Based on the novel and revealing discoveries brought by the present work, many insightful suggestions are made towards the improvement of the production of αγ-dichlorohydrin on an industrial scale.

Asiakasohjautuvan hitsaustuotannon kehittäminen PK-konepajassa

Tässä diplomityössä tarkasteltiin asiakasohjautuvan hitsaustuotannon kehittämistä PK-konepajassa. Työn tarkoituksena oli kerätä taustatietoa asiakasohjautuvan hitsaustuotannon erityispiirteistä ja tarkastella hitsaustuotannon kehittämistä. Työssä tutustuttiin hitsausprosesseihin ja niiden kehitysversioihin sekä hitsausaineisiin. Tärkeänä osa-alueena olivat hitsin ja hitsaustuotannon laadun ja laadunhallinnan sekä hitsauksen mekanisoinnin ja automatisoinnin tarkastelu hitsauksen työsuojelua ja hitsausergonomiaa unohtamatta. Tämän jälkeen kartoitettiin yrityksen nykytilanne ja laadittiin kehittämistoimenpiteet sekä tarvittavat laskelmat ja kehitystyön implementointi. Sen jälkeen vertailtiin tehostettua toimintaa vanhaan toimintaan sekä tehtiin johtopäätökset toiminnan kehittämisestä.

Convenience of scallops in plate structures

In this thesis was performed comprehensive study about the convenience of scallops in plate structures. A literature review was performed and lack of knowledge was fulfilled with fatigue tests performed in the laboratory of Steel Structures at the Lappeenranta University of Technology and with finite element method. The aim of this thesis was to produce design guidance for the use of scallops for different structural details and different loading conditions. An additional aim was to include more precise instructions for scallop design to produce good fatigue resistance and appropriate manufacturing quality. The literature review was performed searching bridge engineering and maritime standards and design guides and studies from scientific databases and reference lists from the literature of this field. Fatigue tests were used to research the effect of using scallops or not using scallops to fatigue strength of bracket specimen. Tests were performed on three specimens with different scallop radii and to five specimens without scallops with different weld penetration depths. Finite element method using solid elements, symmetry and submodels was used to determine stress concentration factors for I-beams with scallops. Stresses were defined with hot spot stress method. Choosing to use a scallop or not in the structure is affected by many factors, such as structural and loading conditions and manufacturability. As a rule of thumb, scallops should be avoided because those cause stress concentration points to the structure and take a lot of time to manufacture. When scallops are not used, good quality welding should be provided and full weld penetration is recommended to be used in load carrying corner weld areas. In some cases, it is advisable to use scallops. In that case, circular scallops are recommended to be used and radius should be chosen from fatigue strength or manufacturing point of view.

Ultralujan teräksen kaarijuotto

Tässä diplomityössä tutkitaan ultralujan rakenneteräksen kaarijuotolla valmistettujen liitosten väsymiskestävyyttä. Tutkittavat liitokset ovat kuormaa kantamattomia X-liitoksia. Tutkinnassa vertaillaan puhtaasti juottamalla valmistettua liitosta hitsauksen ja juoton kombinaatioliitokseen, jossa pohjapalkona toimivan hitsin rajaviivalle on juotettu lisäpalko. Kaarijuottoa esitellään yleisesti liittämismenetelmänä. Ultralujaa rakenneterästä esitellään yleisesti ja tarkastellaan sen metallurgista käyttäytymistä sekä juotettaessa, että hitsattaessa. Tutkimuksessa tehtiin kaikkiaan 21 väsytystestiä. Väsytystestit muodostuivat kolmesta eri koekappalesarjasta. Ensimmäisen ja toisen sarjan koekappaleet tehtiin juottamalla, eri lisäaineilla. 3. sarjassa pienat hitsattiin, jonka jälkeen hitsin rajaviivalle tehtiin juotto. Kappaleiden geometriat mitattiin ennen testejä, ja osasta kappaleista mitattiin jäännösjännitykset. Kappaleista otettiin hieitä, joista tehtiin kovuusmittaukset ja suoritettiin makro- ja mikrotason tarkastelua liitosprosessin lämmöntuonnin vaikutuksesta. Väsytyskokeiden perusteella kappaleille määritettiin nimelliset ja rakenteelliset väsymisluokat. Tuloksista piirrettiin S-N –käyrät. Liitoksista tehtiin FEA-mallit, joista määritettiin liitoksen rajaviivalle muodostuva jännitys ja 2. sarjan koekappaleiden laskennalliset kestoiät. 1. sarjan juotoksissa oli ongelmana juotoksen tarttuvuus teräksen pintaan. 2. sarjan koetulokset olivat kaikkein parhaita. 3. sarjan kombinaatioliitokset ylsivät kohtalaisiin väsymisluokkiin. 2. sarjan koetulosten perusteella kaarijuotossa on potentiaalia ultralujan rakenneteräksen liittämismenetelmänä. Jatkotutkimuksen tarve on kuitenkin laaja. Tämä työ osoitti, että kaarijuottaminen voi olla vaativa liittämisprosessi, sillä toimiakseen se vaatii varsin tarkat parametrit, ja lisäksi prosessi on melko herkkä olosuhdemuutoksille.

Robotiikkatuoteperheen kehittäminen

Robottiikkatuoteperheeseen kuuluu robottihitsausportaalit, joiden päärunko rakentuu kote-lopalkeista. Koteloprofiilien käyttö on suosittua teollisuuden eri aloilla ja se soveltuu hyvin raskaaseen konepajateollisuuteen. Hitsausrobottiportaalin suunnitteluun liittyy monia eri vaiheita ja valituilla teknisillä ratkaisuilla voidaan vaikuttaa valmistettavan tuotteen hitsin laatuun ja työn onnistumiseen. Hitsausrobottiportaalit ovat usein asiakasräätälöityjä ratkaisuja, jolloin suunnittelutyö sekä valmistusvaihe vaativat runsaasti kapasiteettia. Modulaarisuuden avulla suunnittelu- ja valmistusvaiheita on mahdollista nopeuttaa sekä parantaa tuotteen testausta, huollettavuutta ja laatua. Tässä diplomityössä tutkittiin, miten hitsausrobottiportaalin vaakapuomi käyttäytyy ja taipuu erilaisissa kuormitustilanteissa. Lisäksi työssä määritettiin alkuperäisen koteloprofiilin tilalle uusi optimoitu koteloprofiili sekä tarkasteltiin moduloinnin mahdollistamista robo-tiikkatuoteperheen portaalisovelluksiin.

Ohutlevykotelon valmistettavuuden ja pinnoitettavuuden huomioiminen suunnittelussa

Korkean IP-luokituksen ohutlevykotelointi on haastava kokonaisuus. Koteloinnin tiivistys ruiskutettavalla polyureapinnoitteella edellyttää usean osa-alueen samanaikaista hallintaa. Kotelo on alusta alkaen suunniteltava pinnoitettavaksi, sillä pinnoitus asettaa lukuisia vaatimuksia ja rajoituksia esimerkiksi käytettäville muodoille, rakenteille ja liittämismenetelmille. Polyurea on elastomeeri, josta valmistettua pinnoitetta voidaan levittää erityisellä ruiskutuslaitteistolla. Polyureapinnoite sallii kotelon asentamisen vaikeisiin olosuhteisiin, sillä se kestää kemikaaleja, kulutusta ja iskuja sekä tarjoaa tiiveyden lisäksi korroosiosuojan koteloinnille. Pinnoitteen ominaisuuksia, kuten kovuutta, elastisuutta ja kemikaalien sekä UV-säteilyn kestoa voidaan räätälöidä käyttökohteen mukaan. Polyurepinnoitteeella pinnoitettavat pinnat on pyrittävä pitämään mahdollisimman yksinkertaisina, mikä tarkoittaa käytännössä kaikenlaisten kohoumien, ulkonevien osien, reikien ja muiden epäjatkuvuuskohtien välttämistä. Kaikki epäjatkuvuuskohdat vaativat erityishuomiota pinnoituksen aikana, sillä epäjatkuvuuskohtien onnistunut pinnoitus vaatii ruiskutusta useasta suunnasta, mikä lisää virhemahdollisuuksia ja siten vaarantaa koteloinnin tiiveyden. Liittämismenetelmät ovat yksinkertaisten muotojen ohella avainasemassa pinnoituksen onnistumisen kannalta. Menetelmistä tulee suosia sellaisia, joiden pinnoitettavaan pintaan aiheuttama epäjatkuvuuskohta on mahdollisimman vähäinen. Tällaisia menetelmiä ovat esimerkiksi vastuspistehitsaus ja puristeruuvi.

Investigation of the fatigue performance of welded duplex stainless steel

Diplomityössä tutkitaan hitsatun duplex-teräksen, laatu: EN 1.4462 (Outokumpu laatu 2205) väsymislujuutta. Tutkimusmetodologia noudattaa sekä kokeellisia että laskennallisia menetelmiä. Kokeelliset menetelmät sisältävät hitsatun teräksen väsytystestaukset laboratoriossa, hitsausten jälkikäsittelyt (HiFIT) sekä perusaineelle ja hitseille tehtävät metallurgiset tutkimukset. Väsytyskokeista saatavia tuloksia verrataan kansainvälisen hitsausinstituutin (IIW) vahvistamiin rakennekohtaisiin standardeihin sekä kirjallisuudessa esiintyviin tutkimustuloksiin. Laskennalliset menetelmät sisältävät vertailulaskelmia tehollisen lovijännityksen (ENS) menetelmää hyödyntäen. Tehollisen lovijännityksen menetelmässä liitoksissa vaikuttavat teholliset lovijännitykset selvitetään elementtimenetelmän (FEM) avulla. Tulokset vahvistavat, että hitsauksella ja hitsausten jälkikäsittelyllä on suuri merkitys rakenteen kestoikään. Suurin osa väsytyskokeiden tuloksista osoitti parempia väsymiskestävyyden arvoja kuin rakennekohtaiset standardit, mutta liitosten liitosvirheiden todettiin heikentävän väsytyskestävyyttä. Jälkikäsittelyiden todettiin parantavan liitosten väsymiskestävyyden tuloksia ja todettiin tulosten olevan hyödynnettävissä mitoituksessa.

Real-time monitoring of laser scribing process utilizing high-speed camera

Currently, laser scribing is growing material processing method in the industry. Benefits of laser scribing technology are studied for example for improving an efficiency of solar cells. Due high-quality requirement of the fast scribing process, it is important to monitor the process in real time for detecting possible defects during the process. However, there is a lack of studies of laser scribing real time monitoring. Commonly used monitoring methods developed for other laser processes such a laser welding, are sufficient slow and existed applications cannot be implemented in fast laser scribing monitoring. The aim of this thesis is to find a method for laser scribing monitoring with a high-speed camera and evaluate reliability and performance of the developed monitoring system with experiments. The laser used in experiments is an IPG ytterbium pulsed fiber laser with 20 W maximum average power and Scan head optics used in the laser is Scanlab’s Hurryscan 14 II with an f100 tele-centric lens. The camera was connected to laser scanner using camera adapter to follow the laser process. A powerful fully programmable industrial computer was chosen for executing image processing and analysis. Algorithms for defect analysis, which are based on particle analysis, were developed using LabVIEW system design software. The performance of the algorithms was analyzed by analyzing a non-moving image from the scribing line with resolution 960x20 pixel. As a result, the maximum analysis speed was 560 frames per second. Reliability of the algorithm was evaluated by imaging scribing path with a variable number of defects 2000 mm/s when the laser was turned off and image analysis speed was 430 frames per second. The experiment was successful and as a result, the algorithms detected all defects from the scribing path. The final monitoring experiment was performed during a laser process. However, it was challenging to get active laser illumination work with the laser scanner due physical dimensions of the laser lens and the scanner. For reliable error detection, the illumination system is needed to be replaced.