TY - JOUR A1 - Neubert, S. A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - Influence of non-uniform martensitic transformation on residual stresses and distortion of GMA-welding N2 - A combined experimental and numerical approach is applied for a numerical analysis of the non-uniform martensitic transformation kinetic on welding residual stresses and distortion of a single pass weld. The (γ → α)-transformation kinetic within the weld pool region is governed by a non-uniform distribution of the elements chromium and nickel. The single-pass weld was performed by use of the low-alloyed high-strength steel S960QL with the high-alloyed high-strength filler wire CN 13/4-IG®. A thermo-mechanical FE model of the welding process was experimentally validated against temperature field, solid phase distribution, transformation behaviour, X-Ray stress measurements and transient optical distortion measurements. The experimentally determined and calculated weld residual stresses and transient distortion are in good agreement. It can be shown that the change on the (γ → α)-transformation kinetic driven by the inhomogeneous distribution of the chemical contents causes a strong influence on the weld residual stresses within the volume of the weld pool, which could promote crack propagation within the solidified weld pool by use of high-alloyed filler materials. Furthermore, a significant influence on the development of the transient welding distortion is visible. This influence should be respected during numerically calculation of welding distortion in case of multi-pass welding using interpass temperatures and high-alloyed filler materials. KW - Welding residual stresses KW - FEA KW - Welding simulation KW - Dissimilar welding KW - Transformable steels PY - 2017 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2016.08.020 SN - 0143-974X SN - 1873-5983 VL - 128 SP - 193 EP - 200 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-37276 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Stegemann, Robert A1 - Cabeza, Sandra A1 - Lyamkin, V. A1 - Bruno, Giovanni A1 - Pittner, Andreas A1 - Wimpory, Robert A1 - Boin, M. A1 - Kreutzbruck, Marc T1 - Residual stress characterization of steel TIG welds by neutron diffraction and by residual magnetic stray field mappings N2 - The residual stress distribution of tungsten inert gas welded S235JRC+C plates was determined by means of neutron diffraction(ND). Large longitudinal residual stresses with maxima around 600 MPa were found. With these results as reference, the evaluation of residual stress with high spatial resolution GMR (giant magneto resistance) sensors was discussed. The experiments performed indicate a correlation between changes in residual stresses (ND) and the normal component of local residual magnetic stray fields (GMR). Spatial variations in the magnetic field strength perpendicular to the welds are in the order of the magnetic field of the earth. KW - GMR KW - Magnetic stray field KW - Neutron diffraction KW - Residual stress KW - TIG-welding PY - 2017 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.11.102 SN - 0304-8853 SN - 1873-4766 VL - 426 SP - 580 EP - 587 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-38678 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CHAP A1 - Sproesser, G. A1 - Change, Y.-J. A1 - Pittner, Andreas A1 - Finkbeiner, M. A1 - Rethmeier, Michael ED - Stark, R. ED - Bonvoisin, J. ED - Seliger, G. T1 - Sustainable technologies for thick metal plate welding N2 - Welding is the most important joining technology. In the steel construction industry, e.g. production of windmill sections, welding accounts for a main part of the manufacturing costs and resource consumption. Moreover, social issues attached to welding involve working in dangerous environments. This aspect has unfortunately been neglected so far, in light of a predominant focus on economics combined with a lack of suitable assessment methods. In this chapter, exemplary welding processes are presented that reduce the environmental and social impacts of thick metal plate welding. Social and environmental Life Cycle Assessments for a thick metal plate joint are conducted for the purpose of expressing and analysing the social and environmental impacts of welding. Furthermore, it is shown that state-of-the-art technologies like Gas Metal Arc Welding with modified spray arcs and Laser Arc-Hybrid Welding serve to increase social and environmental performance in contrast to common technologies, and therefore offer great potential for sustainable manufacturing. KW - Human health G. KW - Life cycle assessment (LCA) KW - Arc welding KW - Laser arc-hybrid welding KW - Resource efficiency KW - Social life cycle assessment (SLCA) PY - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-390025 SN - 978-3-319-48513-3 SN - 978-3-319-48514-0 SN - 2194-0541 SN - 2194-055X SP - 71 EP - 84 PB - Springer CY - Cham, Switzerland AN - OPUS4-39002 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Pittner, Andreas A1 - Fabry, Cagtay T1 - Abschlussbericht IGF 17.923 N: "Sensorgestütztes MSG-Engspaltschweißen von Feinkornstählen mit modifizierter Prozessführung im Dickblechbereich" N2 - Die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse zeigen konkrete technische Lösungen für die automatisierte Anwendung des MSG Engspaltschweißen, sowohl mittels optischer als auch prozessorientierter Sensorik, und sprechen damit ein breites Spektrum möglicher Anwender, insbesondere KMU, an. Die Seitenführung des Brenners auf Basis der optischen Messgrößen stellt eine robuste und einfach zu implementierende Möglichkeit zur Nahtverfolgung dar. Für die Höhenführung über der Schweißnaht wurde neben der Lösung mittels optischer Messverfahren zusätzlich eine direkt darauf aufbauende Möglichkeit zur Implementierung eines Lichtbogensensors abgeleitet. Das Vorgehen konnte sowohl für Sprühlichtbogenprozesse als auch bei Verwendung von Impulslichtbogenprozessen erfolgreich angewendet werden. Die zur Sicherstellung eines gleichmäßigen Flankeneinbrandes entwickelte Pendelregelung ist ebenfalls für unterschiedliche Lichtbogenarten einsetzbar und muss vom Anwender auch beim Einsatz einer großen Bandbreite unterschiedlicher Prozessparameter nahezu nicht konfiguriert werden. Neben der im Rahmen der Verfahrensprüfung untersuchten Pendelraupentechnik konnte die Übertragbarkeit des Vorgehens auch auf die Strichraupentechnik anhand von gezielten Schweißversuchen aufgezeigt werden. Die zunächst auf Basis der optischen Messwerte ausgelegte Füllgradregelung konnte die vorgesehenen Spaltvariationen von 18 bis 24 mm im Rahmen der durchgeführten Verfahrensprüfung ausgleichen. Die Ableitung eines äquivalenten Lichtbogensensors durch Kopplung beider Messprinzipien wurde am Laufzeitende des Vorhabens aufgezeigt, konnte jedoch durch zeitliche Beschränkung nicht für die Verfahrensprüfung berücksichtigt werden. In Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurde die Entwicklung der Prozessregelung für das Vorhaben auf Schweißungen in Wannenlage und Grundwerkstoffe der Güte S355J2 beschränkt. Die Qualifizierung des Verfahrens unter Einsatz der beschriebenen Regelalgorithmen nach DIN EN ISO 15614-1 konnte für alle betrachteten Spaltbreiten zwischen 18 und 24 mm anhand einer 50 mm dicken Demonstratorprobe nachgewiesen werden. KW - Schutzgasschweißen KW - MSG-Engspaltschweißen KW - Prozesssteuerung KW - Lichtbogensensorik KW - Prozessregelung KW - GMAW KW - Narrow gap GMAW KW - GMAW control KW - Arc-sensing PY - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-390934 SP - 1 EP - 38 AN - OPUS4-39093 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Häberle, Nicolas A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - Rechenzeitersparnis bei der numerischen Lösung der nicht- linearen transienten 3D-Wärmeleitungsgleichung durch explizite Zeitintegration N2 - Die transiente nichtlineare 3D-Wärmeleitungsgleichung wurde zur numerischen Lösung mittels der Finite-Elemente-Methode im Ort und mittels explizitem Eulerschema in der Zeit diskretisiert. Der resultierende Algorithmus wurde in ein Computerprogramm überführt wobei besonderer Wert auf paralleles Rechnen gelegt wurde. Das Programm wurde auf die numerische Berechnung eines schweißtypischen transienten Temperaturfelds angewandt. Die Rechenzeit und Skalierbarkeit des Computerprogramms bezüglich der Anzahl verwendeter CPU Kerne wurde untersucht und mit dem kommerziellen FEM Programm Abaqus 6.14 verglichen. Die Anwendung der expliziten Zeitintegration resultiert in verbesserter Skalierbarkeit bezüglich der Anzahl verwendeter CPU Kerne und Rechenzeitersparnis gegenüber der in Abaqus implementierten impliziten Zeitintegrationsmethode. T2 - 37. Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik CY - Päwesin, Germany DA - 5. September 2016 KW - Schweißsimulation PY - 2017 SN - 978-3-96144-025-2 VL - 339 SP - 115 EP - 120 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-44282 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fabry, Cagtay A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - Gap width detection in automated narrow-gap GMAW with varying process parameters N2 - An approach to develop an arc sensor for gap-width estimation during automated NG-GMAW with a weaving electrode motion is introduced by combining arc sensor readings with optical measurement of the groove shape to allow precise analyses of the process. The two test specimen welded for this study were designed to feature a variable groove geometry in order to maximize efficiency of the conducted experimental efforts, resulting in 1696 individual weaving cycle records with associated arc sensor measurements, process parameters and groove shape information. Gap width was varied from 18 to 25 mm and wire feed rates in the range of 9 to 13 m/min were used in the course of this study. Artificial neural networks were used as a modelling tool to derive an arc sensor for estimation of gap width suitable for online process control that can adapt to changes in process parameters as well as changes in the weaving motion of the electrode. Wire feed rate, weaving current, sidewall dwell currents and angles were used as inputs to calculate the gap width. Evaluation the proposed arc sensor model show very good estimation capabilities for parameters sufficiently covered during experiments. T2 - IIW Annual Assembly 2017 CY - Shanghai, China DA - 25.06.2017 KW - Arc sensor KW - Automation KW - GMAW KW - Narrow-gap welding KW - Neural network PY - 2017 SP - 1 EP - 19 AN - OPUS4-44283 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fabry, Cagtay A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - Automatisierungs- und Regelkonzepte für das MSG-Engspaltschweißen N2 - Zur Effizienzsteigerung beim Einsatz von Lichtbogenverfahren für Fügeaufgaben im Dickblechbereich werden häufig angepasste Verfahren mit möglichst geringer Nahtquerschnittsfläche angewendet, beispielsweise das MSG-Engspaltschweißen für I-Nähte. Die Herausforderung für die Automatisierung des Verfahrens besteht neben der komplexen Prozessführung auch in der oftmals schlechten Zugänglichkeit der Prozesszone für optische Sensorik, weswegen verstärkt auf prozessorientierte Sensorik zurückgegriffen wird. Zur Steigerung des Prozessverständnisses und Entwicklung neuer Regelungskonzepte wurde ein Versuchsaufbau umgesetzt, der sowohl optische Messsysteme als auch prozessorientierte Sensorik in einer gemeinsamen Steuerungsumgebung vereint. Die umfassende prozessbegleitende Sensorik ermöglicht die sukzessive Erweiterung des Prozesswissens, welches direkt zur Umsetzung neuer Steuer- und Regelalgorithmen basierend auf Regressionsmodellen genutzt werden kann. Der gemeinsame Einsatz optischer und prozessorientierter Sensorik wurde zur Auslegung eines Lichtbogensensors zur Höhenführung genutzt. Die Versuchsdurchführung mit dem Ziel der Ableitung nichtlinearer Regressionsmodelle erfolgt automatisiert mit Hilfe eines optischen Sensors. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt dabei neben der schnellen Umsetzbarkeit in der direkten Korrelation der Messwerte zu realen physikalischen Systemgrößen und der schnellen Adaption auf unterschiedliche Schweißparameter und -prozesse. T2 - 36. Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik CY - Reinsehlen, Germany DA - 05.10.2015 KW - MSG-Schweißen KW - Automatisierung KW - Lichtbogensensorik KW - Künstliche neuronale Netze KW - Digitalisierung PY - 2017 SN - 978-3-945023-57-0 VL - 320 SP - 21 EP - 26 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-44531 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Sproesser, G. A1 - Chang, Y.-J. A1 - Pittner, Andreas A1 - Finkbeiner, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Energy efficiency and environmental impacts of high power gas metal arc welding N2 - Single-wire gas metal arc welding (SGMAW) and high power tandem GMAW (TGMAW) are evaluated with respect to energy efficiency. The key performance indicator electrical deposition efficiency is applied to reflect the energy efficiency of GMAW in different material transfer modes. Additionally, the wall-plug efficiency of the equipment is determined in order to identify the overall energy consumption. The results show that energy efficiency can be increased by 24% and welding time is reduced over 50% by application of the tandem processes. A comparative life cycle assessment of a 30-mm-thick weld is conducted to investigate the influences of the energy efficiency on the environmental impacts. The environmental impacts on the categories global warming potential, acidification potential, eutrophication potential, and photochemical ozone creation potential can be reduced up to 11% using an energy-efficient TGMAW process. KW - Tandem gas metal arc welding KW - Life cycle assessment (LCA) KW - Energy efficiency KW - High power welding PY - 2017 U6 - https://doi.org/10.1007/s00170-017-9996-7 SN - 0268-3768 SN - 1433-3015 VL - 91 IS - 9-12 SP - 3503 EP - 3513 PB - Springer CY - London AN - OPUS4-39564 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Sproesser, G. A1 - Chang, Y.-J. A1 - Pittner, Andreas A1 - Finkbeiner, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Environmental energy efficiency of single wire and tandem gas metal arc welding N2 - This paper investigates gas metal arc welding (GMAW) with respect to energy consumption and its associated environmental impacts. Different material transfer modes and power levels for single wire GMAW (SGMAW) and tandem GMAW (TGMAW) are evaluated by means of the indicator electrical deposition efficiency. Furthermore, the wall-plug efficiency of the equipment is measured in order to describe the total energy consumption from the electricity grid. The results show that the energy efficiency is highly affected by the respective process and can be significantly enhanced by a TGMAW process. The wall-plug efficiency of the equipment shows no significant dependency on the power range or the material transfer mode. Moreover, the method of life cycle assessment (LCA) is adopted in order to investigate the influences of energy efficient welding on the environmental impacts. In the comparative LCA study, the demand of electrical energy is reduced up to 24%. In consequence, the indicator values for global warming potential (100), acidification potential, eutrophication potential, and photochemical ozone creation potential are reduced up to 11%. KW - Energy input KW - Tandem welding KW - MAG welding KW - Environment KW - Lifetime PY - 2017 U6 - https://doi.org/10.1007/s40194-017-0460-y SN - 0043-2288 SN - 1878-6669 VL - 61 IS - 4 SP - 733 EP - 743 PB - Springer CY - Heidelberg AN - OPUS4-39877 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Pittner, Andreas A1 - Häberle, Nicolas A1 - Fabry, Cagtay A1 - Rethmeier, Michael T1 - Structural welding simulation - Perspective and needs for industrial implementation N2 - The digitalization of industrial processes is the most discussed topic in society these days. New business models have been developed to benefit from the opportunities offered by a digitally connected world. However, the focus in on the smart factory consisting of autonomous acting cyber physical systems (CPS). The efficient implementation of such CPS within an industrial environment requires the digitalization of the corresponding production processes. The digital twin of the process under investigation enables to develop sophisticated monitoring and control strategies which are necessary to fulfil the requirements of individual product design. The need for a digitalization of the welding process is a logical consequence especially with regards to its industrial importance. The theoretical investigations and derived mathematical models of the welding process are well known since many decades. Anyhow, there is still a lack of industrial applicability of such models for an efficient and safe design of welded components. With respect to structural welding simulation that targets the heat effects of welding in terms of global quantities like temperature, solid phase distribution and residual stresses as well as distortions, the limited predictability of these quantities for arbitrary process parameters hinders its usability. This presentation aims to give an overview of the current state of the art in structural welding simulation to predict the evolution of welding induced temperatures, stresses and distortions. Emphasis is given to industrial applicability of such models by reduction of the calculation times for large real-world structures and improved prediction of optimal process parameters. Furthermore, the role of such models within a weld data management system is demonstrated. The accumulation and relational storage of simulation and measuring data improves the overall process knowledge. This enables virtual cause and effect analyses of new process parameters as basis for a control system design. T2 - 70th IIW Annual Assembly & International Conference CY - Shanghai, China DA - 25.06.2017 KW - Structural welding simulation KW - Digitalization KW - Residual stress and distortion KW - Reduction of calculation time KW - Control system design PY - 2017 AN - OPUS4-46635 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -