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Organisationseinheit der BAM
Fast temperature field generation for welding simulation and reduction of experimental effort
(2009)
The quality of welding processes is governed by the occurring induced distortions yielding an
increase in production costs due to necessary reworking. Especially for more complex specimens
it is difficult to evaluate the optimal configuration of welding sequences in order to
minimise the distortion. Even experienced welding operators can solve this task only by trial
and error which is time and cost consuming.
In modern engineering the application of welding simulation is already known to be able to
analyse the heat effects of welding virtually. However, the welding process is governed by
complex physical interactions. Thus, recent weld thermal models are based on many simplifications.
The state of the art is to apply numerical methods in order to solve the transient heat
conduction equation. Therefore, it is not possible to use the real process parameters as input
for the mathematical model. The model parameters which allow calculating a temperature
field that is in best agreement with the experiments cannot be defined directly but inversely by
multiple simulations runs. In case of numerical simulation software based on finite discretisation
schemes this approach is very time consuming and requires expert users. The weld
thermal model contains an initial weakness which has to be adapted by finding an optimal set
of model parameters. This process of calibration is often done against few experiments. The
range of model validity is limited. An extension can be obtained by performing a calibration
against multiple experiments.
The focus of the paper is to show a combined modelling technique which provides an efficient
solution of the inverse heat conduction problem mentioned above. On the one hand the inverse
problem is solved by application of fast weld thermal models which are closed form
solutions of the heat conduction equation. In addition, a global optimisation algorithm allows
an automated calibration of the weld thermal model. This technique is able to provide a temperature
field automatically that fits the experimental one with high accuracy within minutes
on ordinary office computers. This fast paradigm permits confirming the application of welding
simulation in an industrial environment as automotive industry.
On the other hand, the initial model weakness is compensated by calibrating the model
against multiple experiments. The unknown relationship between model and process parameters
is approximated by a neural network. The validity of the model is increased successively
and enables to decrease experimental effort. For a test case it is shown, that this approach
yields accurate temperature fields within very short amount of time for unknown process parameters
as input data to the model contributing to the requirement to construct a substitute
system of the real welding process.
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.
Die Entwicklung in der Offshore-Windenergie hin zu größeren, leistungsstärkeren An-lagentypen sowie die zeitgleich zunehmenden Wassertiefen der projektierten Wind-parks stellt u. a. Designer und Fertiger der Gründungsstrukturen von Windenergiean-lagen vor wachsende Herausforderungen. Neben dem Gründungskonzept der XL-Monopiles rückt wegen der Kombination aus dem vergleichsweise geringen Materialverbrauch bei gleichzeitig hoher Steifigkeit, auch die Jacketgründung in den Fokus. Der Fertigungsaufwand der Jackets ist verglichen mit Monopiles groß; kann jedoch durch die Nutzung von Standardrohren mit automatisiert gefertigten Jacketknoten reduziert werden.
Vor diesem Hintergrund beschreibt der vorliegende Forschungsbericht den Fertigungs-prozess zum automatisierten Schweißen von X-förmigen Hohlprofilknoten für Jacket-Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen. Ein weiteres wesentliches Ziel dieses Vorhabens war die konsequente Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungskette während der automatisierten Schweißung der X-Knoten. Die so ge-speicherten Prozessparameter können zum einen als Grundlage einer Qualitätskon-trolle dienen, zum anderen ermöglichen sie eine vollständige Nachverfolgbarkeit der automatisiert gefertigten Rohrknoten.
Der zweite maßgebend in diesem Bericht behandelte Aspekt umfasst die Quantifizie-rung der Einflüsse aus Fertigungsautomatisierung und Innenschweißen auf die Ermü-dungsfestigkeit der Hohlprofilknoten auf Basis serieller Ermüdungsversuche. Dazu wurden im Projekt zwei Serien mit jeweils 16 Schwingversuchen an ein- und doppel-seitig automatisiert geschweißten X-Knoten durchgeführt und entsprechende Struktur-spannungswöhlerlinien für die automatisiert gefertigten X-Knoten bestimmt.
Die Ergebnisse dieser Ermüdungsversuche werden abschließend in numerischen Untersuchungen auf Basis der Strukturspannungs- und des Kerbspannungskonzeptes gegenübergestellt, um die Prognosefähigkeit beider Konzepte für die ermüdungs-kritischen Bereiche des X-Knotens bewerten zu können.
Durch die im Forschungsvorhaben durchgeführten schweißtechnischen, experimen-tellen und numerischen Analysen konnte das Potential automatisiert gefertigter Rohr-knoten hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Ermüdungsverhalten quantifiziert werden. Zusätzlich konnte der Einfluss der inneren Schweißnaht auf die Ermüdungsfestigkeit bewertet werden.
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.