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МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ СО СКВОЗНЫМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
(2020)
Разработана модель физических процессов при сварке плавлением на основе концепции эквивалентных источников теплоты. Модель включает в себя две части: термогидродинамику сварочной ванны и теплопроводность свариваемого тела вне ванны. В задаче термогидродинамики учитываются температурные зависимости свойств материала, форма парогазового канала, термокапиллярная и естественная конвекция, фазовые превращения и другие физические явления.Приведено решение задачи термогидродинамики методом конечных элементов на примере сварки стальной пластины толщиной 15 мм со сквозным проплавлением лазерным лучом (по технологии "замочная скважина"). Показано, что термокапиллярная конвекция жидкого металла является основной причиной сложной выпукло-вогнутой формы границы ванны с увеличенными размерами в приповерхностных областях. Получено удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных размеров сварочной ванны.
Schweißen ist ein industriell relevantes Fertigungsverfahren mit einer branchenübergreifenden Bedeutung. Die Umweltwirkungen von Schweißverfahren sind jedoch bisher unbekannt und werden im Entstehungsprozess eines Produktes entlang seiner Fertigungskette daher meist nicht berücksichtigt. Ferner ist der Schweißprozess durch einen hohen Verbrauch an Energie sowie Ressourcen gekennzeichnet. Zahlreiche Arbeiten zeigen, dass der Bedarf einer Ökobilanzierung enorm ist. Ursächlich für die bisher mangelhafte Etablierung der Ökobilanzierung von Schweißverfahren und damit Motivation für die Forschungsarbeiten ist die Unkenntnis relevanter Einflussgrößen und damit verbunden ein nicht abschätzbarer Aufwand bei der Durchführung sowie Implementierung einer Ökobilanz im fertigungstechnischen Kontext.
Demgegenüber ist die Ökobilanzierung in anderen Branchen ein oft genutztes Werkzeug zur Ableitung von Umweltwirkungen. Aufgrund der aktuellen Diskussionen bezüglich des Übergangs hin zu einer klimaneutralen Produktion erfährt auch die Analyse und Optimierung der Umweltwirkungen schweißtechnischer Fertigungsverfahren derzeit eine gesteigerte Aufmerksamkeit. Für Unternehmen stellt die Verfügbarkeit umweltverträglicher Produkte bzw. Prozesse eine gewisse Werbewirksamkeit dar, wie dies im Bereich der Schweißstromquellentechnik aktuell zu beobachten ist. Gleichzeitig wird das Thema des „green welding“ auch bezogen auf die gesamte Fertigungskette immer häufiger diskutiert. Dies zeigt sich durch eine in den letzten Jahren deutlich gestiegene Publikationsaktivität. Neben Analysen zu den Einflussfaktoren auf die Nachhaltigkeit in schweißtechnischen Produktionsumgebungen stehen vor allem auch konkrete Implementierungen in der Fertigung bzw. der Produktentstehung im Fokus.
Die grundlegende Vorgehensweise einer Ökobilanzierung (Life-Cycle-Assessment bzw. Abk. LCA) ist als standardisierte Methode in geltenden Normen] sowie in entsprechender Fachliteratur beschrieben. Kernelement der Ökobilanzierung ist die Sachbilanzierung, d.h. die Erfassung der relevanten Inputs sowie Outputs bezogen auf das System „Schweißprozess“. Aus dem entlang der schweißtechnischen Fertigungskette akkumulierten Ressourcenverbrauch während des Schweißens (z.B. Zusatzwerkstoff, elektrische Energie, Schutzgas, etc.) und Abfallprodukten bzw. Emissionen wird die Umweltwirkung entsprechend verschiedener Kategorien, z.B. dem CO2-Äquivalent, gemäß der World Steel Association abgeleitet.
In der schweißtechnischen Community ist es bekannt, dass die Umweltwirkung von Schweißprozessen qualitativ direkt aus dem Ressourcenverbrauch abgeleitet werden kann. Der Einfluss der verschiedenen Input- sowie Outflüsse auf ausgewählte Wirkkategorien ist jedoch nicht ad-hoc quantifizierbar. Die Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass der Materialverbrauch (z.B. Grund-/Zusatzwerkstoff, etc.), der Energieverbrauch (z.B. Wirkleistung sämtlicher elektrischer Verbraucher während der Prozesszeit), Gasverbrauch (Prozess-, Schutzgas oder Druckluft) sowie Hilfsmittel (z.B. Schutzgläser) signifikante Inputgrößen darstellen, deren Berücksichtigung im Rahmen einer Prozessökobilanz ausreichend ist.
Eine wesentliche Forderung des projektbegleitenden Ausschusses war, Methoden für eine direkte Implementierung, um somit Nachnutzung der Ergebnisse zu entwickeln. Um die Ökobilanzierung als festen Bestandteil in die schweißtechnische Dokumentation einfließen zu lassen, sind die notwendigen Arbeitsschritte zu automatisieren. Daher wurden im Rahmen der Forschungsarbeiten sämtliche zu berücksichtigenden Größen durch ein an der Forschungsstelle entwickelten Schweißdatenmanagements digital erfasst sowie archiviert und in eine Umweltwirkung durch Zugriff auf entsprechende Open-Source Datenbanken „übersetzt“. Das Datenmanagement ermöglicht die eindeutige Zuordnung der Umweltwirkung eines geschweißten Bauteiles ohne Dokumentationsaufwand für den Anwender. Dadurch werden insbesondere KMU in die Lage versetzt, den Anforderungen bezüglich der Bewertung der Ökoeffizienz von Fertigungsverfahren gerecht zu werden und somit auf die nationalen sowie internationalen klimapolitischen Rahmenbedingungen vorbereitet zu sein.
Die Analysen eines breiten Spektrums an Schweißverfahren haben gezeigt, dass eine Verringerung der Umweltwirkungen von Schweißverfahren demnach nur primär durch eine Reduktion des Zusatzwerkstoff- sowie Energieverbrauches zu realisieren ist. Hierbei zeigen Verfahren mit niedrigem Werkstoffeinsatz, im Extremfall autogene Verfahren, die geringsten Umweltwirkungen. Im Produktentstehungsprozess ist es daher notwendig, unter Berücksichtigung der Schweißbarkeit die ökologischen Verfahrenscharakteristika hinsichtlich konstruktiver, fertigungstechnischer sowie werkstoffspezifischer Randbedingungen zu bewerten, um die vorgeschriebenen Produkteigenschaften zu gewährleisten und die Umweltbelastung zu minimieren.
Damit der Workflow, der bei der Ökobilanzierung zu durchlaufen ist, vereinheitlicht und für jeden verständlich ist, fließen die Forschungsergebnisse direkt in die DIN SPEC 35235 „Nachhaltigkeit in der Schweißtechnik – Ökobilanzierung von Schweißverfahren“ ein. Dies ist die Grundlage, um die Vergleichbarkeit von Ökobilanzen in der Schweißtechnik zu gewährleisten und so deren Akzeptanz in der Industrie zu erhöhen. Damit ist ein optimaler Transfer der Forschungsergebnisse in die Industrie gewährleistet.
Kleinere und mittlere Unternehmen agieren heutzutage in einem globalen Umfeld, wodurch diese zu Elementen einer komplexen Wertschöpfungskette werden. Der zunehmende Anstieg der Preise für industriell essenzielle Ressourcen, wie Primärenergie und Rohstoffe, sowie sich ausweitende klimapolitische Restriktion führen zur Notwendigkeit, die Wettbewerbsfähigkeit durch innovative und ökoeffiziente Fertigungsprozesse langfristig zu sichern. Rahmenbedingungen zu schaffen, welche die Positionierung nachhaltiger Produkte und Prozesse innerhalb globaler Wertschöpfungsketten ermöglicht, ist daher ein wesentliches Ziel der deutschen Industriepolitik.
Im Rahmen dieses Beitrages werden aktuelle Forschungsarbeiten zur Bewertung der Umweltwirkungen der schweißtechnischen Fertigungskette anhand ausgewählter Schmelzschweißverfahren unter Berücksichtigung vor- sowie nachgelagerter Fertigungsschritte dargestellt. Das hierzu notwendige Element zur Analyse der Fertigungsprozesse ist die Ökobilanzierung - eine weit verbreitete und standardisierte Methode zur Abschätzung der Umweltwirkungen eines Produktes oder Prozesses. Hierbei stellt die Sachbilanzierung, d.h. die Ermittlung sämtlicher relevanter Energie- und Ressourcenverbräuche während der schweißtechnischen Fertigung, aufgrund des hohen Dokumentations-aufwandes sowie Ableitung assoziierter Wirkkategorien das größte Hindernis für eine Etablierung und Akzeptanz der Ökobilanzierung in der Praxis dar. Gleichwohl wird seitens Unternehmen, welche als Zulieferer von OEM’s agieren, die Dokumentation des fertigungsspezifischen CO2-Verbrauches gefordert.
Ein weiterer Aspekt der Arbeiten beinhaltet folglich Methoden zur automatisierten Erfassung von schweißtechnischen Produktionsdaten sowie deren Nachverfolgbarkeit aufzuzeigen. Anhand unterschiedlicher Schweißverfahren werden die aus den Produktionsdaten abgeleiteten Energie- und Ressourcenverbräuche automatisiert in den relevanten Umweltwirkungen überführt. Die analysierten Schweißprozesse umfassen dabei ein breites für kmU relevantes Spektrum. Durch die softwareseitige Bereitstellung der aufgestellten Umweltprofile ist der Anwender in der Lage, Schweißprozesse unter ökologischen Aspekten zu bewerten und die effizienteste Variante zu identifizieren.
Kleinere und mittlere Unternehmen agieren heutzutage in einem globalen Umfeld, wodurch diese zu Elementen einer komplexen Wertschöpfungskette werden. Der zunehmende Anstieg der Preise für industriell essenzielle Ressour-cen, wie Primärenergie und Rohstoffe, sowie sich ausweitende klimapolitische Restriktion führen zur Notwendigkeit, die Wettbewerbsfähigkeit durch innovative und ökoeffiziente Fertigungsprozesse langfristig zu sichern. Rahmenbe-dingungen zu schaffen, welche die Positionierung nachhaltiger Produkte und Prozesse innerhalb globaler Wert-schöpfungsketten ermöglicht, ist daher ein wesentliches Ziel der deutschen Industriepolitik [1, 2].
Im Rahmen dieses Beitrages werden aktuelle Forschungsarbeiten zur Bewertung der Umweltwirkungen der schweiß-technischen Fertigungskette anhand ausgewählter Schmelzschweißverfahren unter Berücksichtigung vor- sowie nachgelagerter Fertigungsschritte dargestellt. Das hierzu notwendige Element zur Analyse der Fertigungsprozesse ist die Ökobilanzierung - eine weit verbreitete und standardisierte Methode zur Abschätzung der Umweltwirkungen eines Produktes oder Prozesses. Hierbei stellt die Sachbilanzierung, d.h. die Ermittlung sämtlicher relevanter Ener-gie- und Ressourcenverbräuche während der schweißtechnischen Fertigung, aufgrund des hohen Dokumentations-aufwandes sowie Ableitung assoziierter Wirkkategorien das größte Hindernis für eine Etablierung und Akzeptanz der Ökobilanzierung in der Praxis dar. Gleichwohl wird seitens Unternehmen, welche als Zulieferer von OEM’s agieren, die Dokumentation des fertigungsspezifischen CO2-Verbrauches gefordert.
Ein weiterer Aspekt der Arbeiten beinhaltet folglich Methoden zur automatisierten Erfassung von schweißtechnischen Produktionsdaten sowie deren Nachverfolgbarkeit aufzuzeigen. Anhand unterschiedlicher Schweißverfahren werden die aus den Produktionsdaten abgeleiteten Energie- und Ressourcenverbräuche automatisiert in den relevanten Umweltwirkungen überführt. Die analysierten Schweißprozesse umfassen dabei ein breites für kmU relevantes Spektrum. Durch die softwareseitige Bereitstellung der aufgestellten Umweltprofile ist der Anwender in der Lage, Schweißprozesse unter ökologischen Aspekten zu bewerten und die effizienteste Variante zu identifizieren.
Zur Bewertung der Kaltrissempfindlichkeit moderner hochfester Feinkornbaustähle mit dem Implant-Test
(2020)
Der Implant-Test nach ISO 17642-3 gehört zur Gruppe der fremdbeanspruchten Kaltrisstests, bei dem eine äußere Beanspruchung auf einen zylindrischen Stab (Implant-Probe) definiert aufgebracht wird. Mit dieser Kaltrissprüfung wurden vergleichende Analysen zur Kaltrissempfindlichkeit der modernen hochfesten Feinkornbaustähle S960MC und S960QL durchgeführt. Zudem kamen sowohl Massiv- als auch Metallpulverfülldraht zur Variation der Wasserstoffkonzentration zum Einsatz. Der Einsatz des modernen modifizierten Sprühlichtbogens ermöglichte außerdem die Untersuchung des Einbrandprofils auf die Kaltrissbildung.
Der Einsatz von Aluminiumlegierungen als Konstruktionswerkstoff hat in den letzten Jahrzehnten aufgrund seines überlegenen Festigkeits-/ Gewichtsverhältnisses zugenommen. Dabei spielen höherfeste aushärtbare Al-Mg-Si-Legierungen eine wichtige Rolle.
Dieser Beitrag konzentriert sich auf die additive Fertigung von Prinzipbauteilen aus einer Al-Mg-Si-Aluminiumlegierung mittels Wire + Arc Additive Manufacturing. Werkstoffe dieses Legierungssystems weisen eine ausgeprägte Heißrissanfälligkeit auf, weshalb das artgleiche Fügen dieser Materialien, mittels Metallschutzgasschweißen, heutzutage immer noch eine Herausforderung darstellt. Kommerzielle Al-Mg-Si-Schweißdrähte sind am Markt nicht verfügbar.
In dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit eines neuartigen Al-Mg-Si-Schweißdrahtes mit zusätzlichen kornfeinenden Elementen für die additive Fertigung mittels MSG-Verfahren gezeigt. Dazu wird der Zusammenhang von verwendeten Prozessparametern und der resultierenden Bauteilqualität untersucht, wobei die Größe und Verteilung von Poren sowie die Kornmorphologie analysiert werden. Darüber hinaus wird der Einfluss einer T6 Wärmenachbehandlung auf die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes untersucht und ein Vergleich zum entsprechenden Referenzmaterial (Knetlegierung) gezogen.
Die additive Verarbeitung hochfester Feinkornbaustähle mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist ein komplexes, aber zugleich auch effizientes Verfahren, bei dem Werkstoff, Bauteilgeometrie und Schweißprozess gezielt aufeinander abgestimmt sein müssen. Ziel dieser Studie war es, einen Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und der generierten Schichtgeometrie zu ermitteln. Dazu wurden definierte Referenzkörper mit einem robotergestützten Schweißsystem additiv gefertigt und hinsichtlich Schichthöhe, Wandstärke und Mikrostruktur analysiert. Fokus der Untersuchung waren sowohl konventionelle als auch für die WAAM-Fertigung speziell entwickelte hochfeste Schweißzusatzwerkstoffe. Die geometrischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile lassen sich insbesondere durch die Faktoren Drahtvorschubgeschwindigkeit und Schweißgeschwindigkeit gezielt einstellen. Jedoch können diese Parameter nicht beliebig variiert werden, auch aufgrund der rheologischen Eigenschaften der Zusatzwerkstoffe. Zu hohe Streckenenergien führen zu lokalen Überhitzungen und Fehlstellen in der generierten Schicht. Undefinierte Fließ- und Erstarrungsvorgänge im überhitzten Bereich erschweren die maßhaltige Fertigung. Deshalb wird bei speziellen WAAM-Schweißdrähten das Fließverhalten gezielt modifiziert, sodass es über einen größeren Temperaturbereich hinweg konstant ist. Erst die Kenntnis über die komplexen Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und der Bauteilgeometrie ermöglicht die Erzeugung exakter Schichtmodelle für die additive Fertigung. Dies bildet die Grundlage für die Bearbeitung weiterer Fragestellungen auf dem Gebiet der additiven Fertigung mit hochfesten Zusatzwerkstoffen und insbesondere deren Anwendung in modernen hochfesten Bauteilen.
WelDX – Entwicklung und Anwendung eines einheitlichen Dateiformates für das Lichtbogenschweißen
(2020)
Ziel des WelDX Forschungsvorhabens ist es, den Austausch wissenschaftlicher Forschungsdaten aus dem Bereich der Schweißtechnik auf Basis eines einheitlichen Open Source Dateiformates zu ermöglichen und damit die Einhaltung und Dokumentation geeigneter Qualitätsstandards zu fördern. Im Zuge der Projektarbeit wird die Zusammenarbeit und der Wissenstransfer schweißtechnischer Institute zunächst auf nationaler Ebene gefördert und die Bildung eines von der Fachcommunity getragenen Kuratoriums zur Betreuung und Weiterentwicklung des Dateiformates und der Ausarbeitung zugehöriger Qualitätsstandards angestrebt.
Scientific welding data covers a wide range of physical domains and timescales and are measured using various different sensors. Complex and highly specialized experimental setups at different welding institutes complicate the exchange of welding research data further. The project aims to simplify the exchange and quality assurance of scientific welding data by establishing a common open source file format.
Ziel des WelDX Forschungsvorhabens ist es, den Austausch wissenschaftlicher Forschungsdaten aus dem Bereich der Schweißtechnik auf Basis eines einheitlichen Open Source Dateiformates zu ermöglichen und damit die Einhaltung und Dokumentation geeigneter Qualitätsstandards zu fördern. Im Zuge der Projektarbeit wird die Zusammenarbeit und der Wissenstransfer schweißtechnischer Institute zunächst auf nationaler Ebene gefördert und die Bildung eines von der Fachcommunity getragenen Kuratoriums zur Betreuung und Weiterentwicklung des Dateiformates und der Ausarbeitung zugehöriger Qualitätsstandards angestrebt.
Der Vortrag gibt eine Übersicht zur Motivation, der technischen Umsetzung des Dateiformates sowie möglicher Anwendungsfälle.