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.

Hitsauksen mekanisointi laivan runkorakenteiden valmistuksessa

Hitsauksen mekanisoinnilla ja erityisesti kevytmekanisoinnilla saavutetaan melko pienin kustannuksin suuria etuja tuottavuudessa, laadussa ja työergonomiassa. Mekanisoinnin avulla voidaan saavuttaa soveltuvissa kohteissa hitsauksen kaariaikasuhteen kaksinkertaistuminen esim. 10 %:sta 20 %:iin. Tämä voi tarkoittaa kohteen kokonaishitsaustyöajan puolittumista. Mekanisoinnin tehokas hyödyntäminen edellyttää kuitenkin, että laitteet ovat helppokäyttöisiä ja haluttuja hitsauksen apuvälineitä. Genesis-projekti, jonka on määrä valmistua syksyllä 2009, tuo uuden haasteen Aker Yardsin Turun telakalle. Aluksen aikaisempia laivoja suurempi koko aiheuttaa haasteita tilankäytölle ja kapasiteetin riittävyydelle. Lisäksi käytettävät rakenteet aiheuttavat tuotantoon erityisiä ongelmia, joihin tämän diplomityön puitteissa on etsitty soveltuvia mekanisointiratkaisuja. Diplomityössä mekanisointilaitehankinnoilla lisättiin telakan laitekantaa ja korvattiin vanhentuneita laitteita. Laitteiden käyttöönotossa tarkasteltiin laitteiden puutteita ja pyrittiin löytämään käytettävyyttä parantavia ratkaisuja. Tässä työssä esitellyillä parannuksilla käytössä oleviin laitteisiin ja työmenetelmiin hitsauksen mekanisoinnin käyttöä voitaisiin lisätä vielä merkittävästi.

Hitsaustuotannon kehittäminen pk-konepajassa

Kustannusten pienentäminen hitsauksessa on loputon tie. Pääosa hitsauksen kustannuksista muodostuu hitsaukseen käytetystä ajasta. Tämä diplomityö on tarkoitettu avustamaan yrityksiä mekanisoinnin ja robotisoinnin käyttöönotossa sekä mekanisointilaitteiden ja hitsausrobottien investoinneissa ja niiden kannattavuuden arvioimisessa. Tämä diplomityö on jatkoa alueella aikaisemmin tehdyille selvityksille, joiden perusteella havaittiin Savonlinnan seudun yritysverkoston hitsaavilla pk-konepajoilla olevan kehitystarpeita tuotannossaan ja toiminnassaan. Tässä diplomityössä tarkastellaan ensin teoriatasolla hitsaustuotannon tehostamista eri keinoin, joista tarkemmin tarkastellaan hitsauksen mekanisointia ja robotisointia. Lisäksi selvitetään kolmella yritys-case-esimerkillä hitsausajan vähentämisen vaikutusta kustannuksiin. Samalla esitetään sopivia laitteistoinvestointeja, joilla hitsausajan vähentäminen on mahdollista, sekä tarkastellaan näiden investointien kannattavuutta sekä syntyviä säästöjä.

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.

Lohkovalmistuksen läpimenoaikojen tarkastelu ja kehittäminen työntutkimuksen avulla

Tutkimus tehtiin STX Finlandin Turun telakalle osana suurempaa kehitysohjelmaa, joka tähtää läpimenoaikojen lyhentämiseen ja kilpailukyvyn paranemiseen. Työntutkimuksesta saatujen tietojen avulla toimintaa pyritään kehittämään tuottavammaksi ja läpimenoaikaa lyhyemmäksi. Työssä pyrittiin löytämään valmistusteknillisiä keinoja läpimenoajan lyhentämiseksi käyttäen hyväksi Lean-ajattelutapaa. Mittaustuloksista voidaan nähdä, miten aika jakaantuu lohkonkoonnissa ja mihin aikaa hukataan. Tuloksista huomataan, että lisäarvoa tuottavan työn osuutta työajasta voidaan lisätä. Kasvattamalla jalostavan työn osuutta voidaan tuotannosta tehdä tehokkaampaa ja läpimenoaikaa lyhentää. Tuloksista selviää, minkälaisia Lean-ajattelutavan hukkia työvaiheet sisältävät ja kuinka paljon aikaa niihin kuluu. Tutkimus tehtiin tunnettuja työntutkimuksen keinoja hyväksikäyttäen. Käytössä oli havainnointitutkimus sekä ajankäyttötutkimus. Havainnointitutkimuksen avulla saatiin selville tuotannon epäkohtia. Työntutkimuksen avulla selvisi myös, ettei mekanisointien käyttö hitsauksessa ole riittävällä tasolla. Suuri osa hitsauksesta tehdään manuaalisesti ilman kuljettimia, jolloin paloaikasuhde pysyy matalana. Tuotannossa esiintyvät virheet jäävät liian usein raportoimatta. Tutkimuksessa on esitetty toimintamalli tuotannon epäkohtien raportoinnin toteutukselle. Johtopäätöksinä syntyi kehitysideoita lohkovalmistuksen tehostamiseksi. Tutkimuksen avulla luotiin pohja työntutkimuksen uudelleenkäynnistämiselle. Luotuja työntutkimuskaavioita voidaan käyttää tulevissa työntutkimuksissa. Johtopäätöksinä syntyi kehitysideoita lohkovalmistuksen tehostamiseksi. Menetelmien avulla lohkovalmistuksen läpimenoaikaa saadaan tehostettua.

Silloitushitsauksen robotisointi

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia ja selvittää kuormakoneen takarunkorakenteen silloitushitsauksen robotisointia. Työ päätettiin rajata koskemaan vain tiettyä moduulia takarungosta. Työssä kartoitettiin tarvittava laitteisto, selvitettiin runkomoduulin silloitusajat sekä arvioitiin investoinnin kannattavuutta. Silloituksen suorittavan järjestelmän vaatimuksena oli, että sen tulee asettaa osat paikoilleen hitsauskiinnittimeen ja tehdä tarvittavat silloitushitsaukset automaattisesti. Sopivaksi laitteistoksi osoittautui taloudellisuuden ja toiminnallisuuden näkökulmasta yhdestä kappaleenkäsittely- sekä hitsausrobotista muodostuva järjestelmä. Kappaleenkäsittelijän ohjauksessa käytetään konenäköä sekä osien paikannuksessa että laadunvarmistuksessa. Robotit liikkuvat yhteisellä lineaariradalla, jonka rinnalla on kappaleenkäsittelylaitteistoja hitsauskiinnittimineen. Robotisoinnin käyttöönotolla yhden takarungon moduulien kokoonpanoon ja silloitukseen käytettävä aika pienenee alle puoleen manuaaliseen työhön verrattuna. Näin saavutetaan merkittäviä kustannussäästöjä. Lisäksi hitsauskiinnittimet voivat olla verrattain yksinkertaisia manuaalityöhön verrattuna, jolloin myös säästetään työkaluinvestoinneissa. Robotisointiprojektin jatkotoimenpiteitä ovat laajamittaiset tuotantosimulaatiot layoutin, laitteiston sekä työkiertojen tarkaksi määrittämiseksi. Lisäksi itse tuotetta on muokattava paremmin robottisilloitukseen sopivaksi.

Orbitaali-TIG-hitsauksen kehittäminen compoundputkien hitsaamisessa

Tässä työssä tutkittiin orbitaali-TIG-hitsauksen hyödyntämistä paineenalaisten compoundputkien jatkohitsien hitsaamiseen. Tutkimus tehtiin Warkaus Works Oy:n omistamalle konepajalle. Tutkimuksen tavoitteena oli laatia standardin SFS-EN ISO 15613 mukaan hyväksytty hitsausmenetelmä. Työn kirjallisuuskatsauksessa esiteltiin orbitaalihitsauksessa käytettävät hitsausprosessit ja laitteistot eri liitosmuodoille. Työssä esiteltiin myös kuumavedettyjen compoundputkien valmistusprosessia ja rakennetta. Tämän lisäksi kerrottiin putkien hitsattavuudesta ja hitsauksen esivalmisteluista, sekä käyttökohteista voimalaitoskattilassa. Ennen menetelmäkokeen hitsausta suoritettiin suuri määrä koehitsauksia yrityksen orbitaali-TIG-laitteistolla. Onnistuneiden koehitsausten perusteella laadittiin hitsausohjelma, jolla hitsattiin testiputket menetelmäkokeeseen. Hitsausmenetelmää varten valittiin Sandvikin valmistama compoundputki. Testihitseille suoritettiin rikkomattomia ja rikkovia tarkastuksia. Hyväksyttyjen tarkastusten pohjalta laadittiin hitsausmenetelmän hyväksymispöytäkirjan. Lisäksi diplomityössä verrattiin mekanisoidun hitsauksen hitsausaikaa käsinhitsauksen hitsausaikaa. Orbitaali-TIG-hitsauksen käyttäminen edellyttää hitsattavalta railolta aina mahdollisimman samanlaisen lähtötilanteen, jotta sen suoritusvarmuus saadaan mahdollisimman korkeaksi. Railon valmistamisen tarkkuudella on mahdollista saada riittävän tarkkoja railoja hitsien laadukkaaseen hitsaukseen. Hitsaus edellyttää laitteiston langansyötön ja elektrodin tarkkoja asetuksia, jotta hitsaus on laadukasta. Lisäaineen jähmeä sula ja hitsin tunkeumavaatimus hankaloittavat orbitaalihitsausta.

Bruchmechanismen an Polymergrenzflächen

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur Aufklärung des Versagens thermisch verschweißter Polymergrenzflächen (hier: Polymethylmethacrylat) durchgeführt. Solch ein Wissen kommt in der Praxis bei sogenannten Sollbruchstellen zum Einsatz. Dabei muss die Grenzschicht bis zu einer bestimmten Belastungsintensität stabil bleiben bei höherer Belastung jedoch brechen. Zudem ist eine stabile Risspropagation entlang der Grenzschicht wichtig.Neben der Bruchstabilitätsbestimmung mit Hilfe des Double Cantilever Beam Tests wurden die beim Versagen der Grenzschicht entstandenen Defekte untersucht. Die Analyse der Bruchfläche erfolgte mit Mikroskopie und Höhenprofilometrie. Defekte im Volumen wurden durch Scanning-Ultra Small Angle X-ray Scattering und Scanning Microfokus-Small Angle X-ray Scattering untersucht.Im Modellsystem können Sollbruchstellen bis zu einer Belastungsintensität von maximal 280J/m² durch die Verschweißungsdauer eingestellt werden. Die Untersuchung der Bruchflächen lieferte ein kombiniertes Modell aus Ausheil- und Interdiffusionsprozess. Ferner folgt aus den Streuuntersuchungen, dass beim Modellsystem keine hochgeordneten Defektstrukturen vorliegen. Die entstandenen Strukturen folgen einem Modell diffuser Defektgrenzflächen. Über die gemessene Diffusivität kann zudem auf die Energiedissipation im Bereich um das Rissende geschlossen werden. Sie ist im unmittelbaren Rissbereich am Höchsten und nimmt mit Entfernung davon ab. Dabei haben die Defektbereiche eine Größe bis zu 650µm. Die Richtung der von außen angelegten Belastung spielt bei der räumlichen Orientierung der Defekte keine Rolle.

Avaliação da soldagem GMAW mecanizada e automatizada para união de dutos utilizando fontes convencional e com controle de curto- circuito

Welding is one of the most employed process for joining steel pipes. Although, manual welding is still the most used one, mechanized version and even automatized one have increased its demand. Thus, this work deals with girth welding of API 5L X65 pipes with 8” of nominal diameter and 8.0 mm thickness, beveled with V-30º narrow gap. Torch is moved by a bug carrier (mechanized welding) and further the parameters are controlled as a function of angular position (automatized welding). Welding parameters are presented for filling the joint with two-passes (root and filling/capping passes). Parameters for the root pass were extracted from previous author´s work with weldments carried out in plates, but validated in this work for pipe welding. GMAW processes were assessed with short-circuit metal transfer in both conventional and derivative modes using different technologies (RMD, STT and CMT). After the parameter determination, mechanical testing was performed for welding qualification (uniaxial tension, face and root bending, nick break, Charpy V-notch impact, microhardness and macrograph). The initially obtained results for RMD and CMT were acceptable for all testing and, in a second moment, also for the STT. However, weld beads carried out by using the conventional process failed and revealed the existence of lack of fusion, which required further parametrization. Thus, a Parameter-Variation System for Girth Welding (SVP) was designed and built to allow varying the welding parameters as a function of angular position by using an inclinometer. The parameters were set for each of the three angular positions (flat, vertical downhill and overhead). By using such equipment and approach, the conventional process with parameter variation allowed reducing the welding time for joint accomplishment of the order of 38% for the root pass and 30% for the filling/capping pass.

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.

Welding and rheomorphism of phonolitic fallout deposits from the Las Canadas caldera, Tenerife, Canary Islands

The Las Canadas caldera is a nested collapse caldera formed by the successive migration and collapse of shallow magmatic chambers. Among the pyroclastic products of this caldera are phonolitic fallout deposits that crop out in the caldera wall and on the extracaldera slopes. These deposits exhibit an uninterrupted facies gradation from nonwelded to lava-like and record continuous volcanic deposition. Densely welded and lava-like facies result from the extreme attenuation and complete homogenization of juvenile clasts that destroy original clast outlines and any evidence of fallout deposition. Agglutination contributes significantly to the final degree of flattening observed in the welded facies. After deposition, rheomorphic flowage occurs. Emplacement temperatures for one of the welding sequences are calculated from magmatic temperatures and a model of tephra cooling during fallout. Results are 486 degreesC for the nonwelded facies and 740 degreesC for the moderately welded facies. For the same welding sequence, a cooling time between 25 and 54 days is estimated from published experimental and computational data as the possible duration of welding and rheomorphism. Following deposition and agglutination, the lava-like pyroclastic facies had the rheological properties of viscous lavas and flowed down the outer slopes away from the caldera. Some lava-like masses detached from proximal areas to more distal regions. During deposition, the eruptive style evolved from Plinian fallout to fountain-fed spatter deposition. This evolution was accompanied by a decrease in explosive power and a lower height of the eruptive column, which produce higher emplacement temperatures and more effective heat retention of pyroclasts.

The effect of metal transfer stability (spattering) on fume generation, morphology and composition in short-circuit MAG welding

The main objective of this work was to evaluate the hypothesis that the greater transfer stability leads also to less volume of fumes. Using an Ar + 25%CO2 blend as shielding gas and maintaining constant the average current, wire feed speed and welding speed, bead-on-plate welds were carried out with plain carbon steel solid wire. The welding voltage was scanned to progressively vary the transfer stability. Using two conditions of low stability and one with high stability, fume generation was evaluated by means of the AWS F1.2:2006 standard. The influence of these conditions on fume morphology and composition was also verified. A condition with greater transfer stability does not generate less fume quantity, despite the fact that this condition produces fewer spatters. Other factors such as short-circuit current, arcing time, droplet diameters and arc length are the likely governing factors, but in an interrelated way. Metal transfer stability does not influence either the composition or the size/morphology of fume particulates. (c) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Advanced orbital pipe welding

Since the introduction of automatic orbital welding in pipeline application in 1961, significant improvements have been obtained in orbital pipe welding systems. Requirement of more productive welding systems for pipeline application forces manufacturers to innovate new advanced systems and welding processes for orbital welding method. Various methods have been used to make welding process adaptive, such as visual sensing, passive visual sensing, real-time intelligent control, scan welding technique, multi laser vision sensor, thermal scanning, adaptive image processing, neural network model, machine vision, and optical sensing. Numerous studies are reviewed and discussed in this Master’s thesis and based on a wide range of experiments which already have been accomplished by different researches the vision sensor are reported to be the best choice for adaptive orbital pipe welding system. Also, in this study the most welding processes as well as the most pipe variations welded by orbital welding systems mainly for oil and gas pipeline applications are explained. The welding results show that Gas Metal Arc Welding (GMAW) and its variants like Surface Tension Transfer (STT) and modified short circuit are the most preferred processes in the welding of root pass and can be replaced to the Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) in many applications. Furthermore, dual-tandem gas metal arc welding technique is currently considered the most efficient method in the welding of fill pass. Orbital GTAW process mostly is applied for applications ranging from single run welding of thin walled stainless tubes to multi run welding of thick walled pipes. Flux cored arc welding process is faster process with higher deposition rate and recently this process is getting more popular in pipe welding applications. Also, combination of gas metal arc welding and Nd:YAG laser has shown acceptable results in girth welding of land pipelines for oil and gas industry. This Master’s thesis can be implemented as a guideline in welding of pipes and tubes to achieve higher quality and efficiency. Also, this research can be used as a base material for future investigations to supplement present finding.

Welding development of crane main girder

Konecranes Corporation manufactures huge steel structures in 16 factories worldwide, in which the environment and quality varies. The company has a desire to achieve the same weld quality in each factory, regardless of the manufacturing place. The main subject of this master’s thesis was to develop the present box girder crane welding process, submerged arc welding and especially the fillet welding. Throughput time and manufacturing costs can be decreased by welding the full penetration fillet weld without a bevel, changing present groove types for more appropriate ones and by achieving the desired weld quality on the first time. Welding experiments of longitudinal fillet welding were made according to the present challenges, which the manufacturing process is facing. In longitudinal fillet welding tests the main focus was to achieve full penetration fillet weld for 6, 8 and 10 millimeters thick web plates with single and twin wire submerged arc welding. Full penetration was achieved with all the material thicknesses, both with single and twin wire submerged arc welding processes. The main problem concerning the weld was undercutting and shape of the weld bead. The question about insufficiency of presently used power sources with twin wire was risen up during testing, due to the thicknesses that require high welding current. Bigger power source is required when box girders are welded nonstop, if twin wire is used. For single wire process the penetration was achieved with significantly less amperage than with twin wire.

The effects of welding heat input on the usability of high strength steels in welded structures

High strength steel (HSS) has been in use in workshops since the 1980s. At that time, the significance of the term HSS differed from the modern conception as the maximum yield strength of HSSs has increased nearly every year. There are three different ways to make HSS. The first and oldest method is QT (quenched and tempered) followed by the TMCP (thermomechanical controlled process) and DQ (direct quenching) methods. This thesis consists of two parts, the first of which part introduces the research topic and discusses welded HSS structures by characterizing the most important variables. In the second part of the thesis, the usability of welded HSS structures is examined through a set of laboratory tests. The results of this study explain the differences in the usability of the welded HSSs made by the three different methods. The results additionally indicate that usage of different HSSs in the welded structures presumes that manufacturers know what kind of HSS they are welding. As manufacturers use greater strength HSSs in welded structures, the demands for welding rise as well. Therefore, during the manufacturing process, factors such as heat input, cooling time, weld quality, and more must be under careful observation.