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Um den Klimawandel wirksam zu bekämpfen, ist es entscheidend, fossile Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen wie Wind-, Solar- und Wasserkraft sowie alternative Energieträger, beispielsweise grünen Wasserstoff, zu ersetzen. Offshore-Windenergie spielt hierbei eine zentrale Rolle, da sie dank der Kombination aus globaler Verfügbarkeit, relativ geringen Betriebskosten und fortgeschrittenem technischen Entwicklungsstand besonders geeignet ist, zur regenerativen Stromerzeugung beizutragen. Sie ist zudem ein Schlüsselelement für die Umsetzung des Europäischen Green Deals, der das Ziel verfolgt, bis 2050 Klimaneutralität in der EU zu erreichen. Expertenschätzungen zufolge ist eine Steigerung der aktuellen Kapazität von 25 GW im Jahr 2020 auf etwa 450 GW notwendig, um diese ambitionierten Ziele zu erfüllen.
Bei der Entwicklung zukünftiger Offshore-Windparks, insbesondere in tieferen Gewässern, gewinnen Jacket-Gründungsstrukturen an Bedeutung. Diese Strukturen, die eine höhere Steifigkeit bei geringerem Materialeinsatz im Vergleich zu den bisher vorherrschenden Monopile-Gründungen bieten, basieren auf komplexen, räumlich aufgelösten Konstruktionen, die ähnlich den Öl- und Gasplattformen entwickelt werden. Die Herstellung der Jacketknoten, die bislang überwiegend manuell geschweißt wurden, birgt erhebliches Optimierungspotential. Durch Automatisierung und Digitalisierung der Fertigungsprozesse könnten nicht nur die Effizienz gesteigert, sondern auch die Qualität der Endprodukte durch präzise Überwachung und Kontrolle der Produktionsparameter verbessert werden. Diese technologischen Fortschritte sind für die Skalierung der Offshore-Windenergie und die Erreichung der Klimaziele von entscheidender Bedeutung.
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.
Automatisierungs- und Regelkonzepte für das MSG-Engspaltschweißen - Pendel- und Füllgradregelung
(2018)
Das MSG-Engspaltschweißen eignet sich auf Grund der I-Nahtvorbereitung besonders für das wirtschaftliche Fügen bei hohen Blechdicken über 100 mm und bietet darüber hinaus zusätzliche technologische Vorteile. Für die automatisierte Anwendung des Verfahrens unter Produktionsbedingungen muss dabei die Prozesssicherheit auch für mitunter große Variationen der Spaltbreite entlang der Schweißnaht gesichert bleiben. In erster Linie betrifft dies bei mechanischer Auslenkung der Drahtelektrode die Adaption der Pendelbewegung auf die jeweilige Spaltbreite um eine ausreichende Flankenanbindung zu garantieren. Für die Online-Regelung der Pendelbewegung mittels Lichtbogensensorik wurde eine Methode implementiert die die notwendigen Pendelwinkel an jeder Nahtflanke unabhängig ermittelt und darüber hinaus Fehlstellungen des Brenners sowie Veränderungen des Kontaktrohrabstandes und der Prozessparameter eigenständig kompensiert. Eine Füllgradregelung auf Grundlage optischer Erfassung und Auswertung der Schweißnahtgeometrie wurde zusätzlich eingesetzt um bei veränderlichen Nahtquerschnittsflächen einen vorgegebenen, gleichbleibenden Lagenaufbau zu erzielen.
The development within the offshore wind energy sector towards
more powerful turbines combined with increasing water depth
for new wind parks is challenging both, the designer as well as
the manufacturer of support structures. Besides XL-monopiles
the jacket support structure is a reasonable alternative due to the
high rigidity combined with low material consumption. However,
the effort for manufacturing of the hollow section joints reduces
the economic potential of jacket structures significantly. Therefore,
a changeover from an individual towards a serial production
based on automated manufactured tubular joints combined with
standardized pipes has to be achieved. Hence, this paper addresses
the welding process chain of automated manufactured
tubular joints including digitization of the relevant manufacturing parameters such as laser scanning of the weld seam geometry.
An experimental setup to integrate laser sensor into conventional GMAW setups via a unified control architecture is described. The setup is used to automate and monitor narrow-gap GMAW. A way to develop GMAW arc-sensors using artificial neural networks using the setup is shown.
The control system is connected to a relational database to store various process measurements. The database can be accessed to filter previous weldments by numerous criteria which allows modelling of process parameter correlation among vast datasets. Such models can be used for process monitoring and control in future applications.
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.
Zunächst erfolgt die Erstellung und Veröffentlichung eines geeigneten Dateiformates zum Austausch großvolumiger, detaillierter Forschungsdaten im Bereich mechanisierter und automatisierter Schweißverfahren. Durch die Nutzung des Dateiformates zur Dokumentation der Forschungsarbeiten soll auch für komplexe Schweißaufgaben und Versuchsaufbauten eine deutlich gesteigerte objektive Vergleichbarkeit der Messdaten und Ergebnisse im Sinne der guten wissenschaftlichen Praxis zwischen den Instituten erzielt werden.
Der Beitrag stellt am Beispiel eines für adaptive MSG-Lichtbogen-Engspaltschweißungen im Dickblech-Bereich entwickelten Versuchsstandes ein Automatisierungskonzept für vernetzte kommerziell verfügbare Anlagenkomponenten über ein zentrales echtzeitfähiges Steuersystem auf Basis des EtherCAT-Protokolls vor. Der Fokus liegt hierbei auf der Eignung für Aufgaben im Bereich der Qualitätssicherung sowie Forschung und Entwicklung leistungsfähiger Algorithmen zur Prozessüberwachung und -regelung. Die sich daraus ergebende Vielzahl zu messender und steuernder Parameter stellen vor allem in Verbindung mit präzisen und hochfrequenten Messgeräten höchste Anforderungen an die Datenverarbeitung sowohl in Echtzeit als auch zur Auswertung nach dem Prozess. Die Einbindung etablierter Programmiertools wie MATLAB/Simulink in gängigen Automatisierungsstandards ermöglichen flexible und innovative Forschungsarbeit.
Durch die automatisierte Datenerfassung in einer übergelagerten Datenbank stehen die Messungen sämtlicher Schweißvorgänge jederzeit zur Entwicklung neuer Abläufe zur Prozessteuerung und -regelung oder zur Verbesserung der bestehenden Algorithmen zur Verfügung, was insbesondere den sukzessiven Aufbau komplexer Regressionsmodelle aus der Anwendung heraus ermöglicht.
Als Applikationsbeispiel wird die Entwicklung eines dynamischen Lichtbogensensors vorgestellt und diskutiert. Die Versuchsdurchführung mit dem Ziel der Ableitung nichtlinearer Regressionsmodelle erfolgt automatisiert mithilfe 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.
Austenite grain growth during welding is a critical factor for controlling weld microstructure in addition to nominal composition and thermal cycles. Recently, experimental data suggesting a decrease in martensite start temperature with a decrease in prior austenite grain size has been published. However, the actual sensitivity of this phenomenon on residual stresses evolution in the heat-affected zone has not been investigated, yet. Therefore, a numerical model was modified to consider this phenomenon. Numerical simulations were performed for welding of a low-alloy structural steel with minimum yield strength of 355 MPa (S355J2+N) and a heat-resistant steel P91 or 9Cr–1Mo, respectively. The results clarify the influence of prior austenite grain size on the residual stress development and show the importance martensite transformation temperatures and final martensite fraction. Consequently, the residual stress evolution of P91, which completely transforms to martensite while cooling, based on the enhanced model leads to maximum stress differences of 200 MPa in the heat-affected zone.
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 measurements 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 mm to 25 mm and wire feed rates in the range of 9 m/min to 13 m/min were used in the course of this study. Artificial neural networks were applied 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 defined as inputs to calculate the gap width. The evaluation of the proposed arc sensor model shows very good estimation capabilities for parameters sufficiently covered during the experiments.
Effect of cooling rate on microstructure and properties of microalloyed HSLA steel weld metals
(2015)
Two high strength Nb/Ti microalloyed S690QL steels were welded with identical filler material, varying welding parameters to obtain three cooling rates: slow, medium and fast cooling. As cooling rate increased, the predominantly acicular ferrite in Nb weld metal (WM) is substituted by bainite, with a consequence of obvious hardness increase, but in Ti WM, no great variation of acicular ferrite at all cooling rates contributed to little increment of hardness. The transition between bainite and acicular ferrite has been analysed from the point view of inclusions characteristics, chemical composition and cooling rate. Excellent Charpy toughness at 233 K was obtained with acicular ferrite as predominantly microstructure. Even with bainite weld of high hardness, the toughness was nearly enough to fulfill the minimal requirements. WM for Ti steel showed to be markedly less sensitive to the variations of cooling rate than that for Nb steel.
Despite the advances in hardware and software techniques, standard numerical methods fail in providing real-time simulations, especially for complex processes such as additive manufacturing applications. A real-time simulation enables process control through the combination of process monitoring and automated feedback, which increases the flexibility and quality of a process. Typically, before producing a whole additive manufacturing structure, a simplified experiment in the form of a beadon-plate experiment is performed to get a first insight into the process and to set parameters suitably. In this work, a reduced order model for the transient thermal problem of the bead-on-plate weld simulation is developed, allowing an efficient model calibration and control of the process. The proposed approach applies the proper generalized decomposition (PGD) method, a popular model order reduction technique, to decrease the computational effort of each model evaluation required multiple times in parameter estimation, control, and optimization. The welding torch is modeled by a moving heat source, which leads to difficulties separating space and time, a key ingredient in PGD simulations. A novel approach for separating space and time is applied and extended to 3D problems allowing the derivation of an efficient separated representation of the temperature.
The results are verified against a standard finite element model showing excellent agreement. The reduced order model is also leveraged in a Bayesian model parameter estimation setup, speeding up calibrations and ultimately leading to an optimized real-time simulation approach for welding experiment using synthetic as well as real measurement data.
Despite the advances in hardware and software techniques, standard numerical methods fail in providing real-time simulations, especially for complex processes such as additive manufacturing applications. A real-time simulation enables process control through the combination of process monitoring and automated feedback, which increases the flexibil- ity and quality of a process. Typically, before producing a whole additive manufacturing structure, a simplified experiment in form of a bead-on- plate experiment is performed to get a first insight into the process and to set parameters suitably. In this work, a reduced order model for the transient thermal problem of the bead-on-plate weld simulation is devel- oped, allowing an efficient model calibration and control of the process. The proposed approach applies the proper generalized decomposition (PGD) method, a popular model order reduction technique, to decrease the computational effort of each model evaluation required multiple times in parameter estimation, control and optimization. The welding torch is modeled by a moving heat source, which leads to difficulties separating space and time, a key ingredient in PGD simulations. A novel approach for separating space and time is applied and extended to 3D problems allowing the derivation of an efficient separated representation of the tem- perature. The results are verified against a standard finite element model showing excellent agreement. The reduced order model is also leveraged in a Bayesian model parameter estimation setup, speeding up calibrations and ultimately leading to an optimized real-time simulation approach for welding experiment using synthetic as well as real measurement data.
Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadsicherung beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badsicherungen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist.
Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadsicherung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badsicherungen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badsicherung konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von bis zu 10 mm dicken Blechen die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es, dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeiten und -kosten deutlich.
Der Fokus des vorliegenden Beitrages liegt in der Anwendung der numerischen Schweißsimulation zur Berechnung des schweißbedingten Verzugs an industriellen Bauteilen. Anhand einiger Applikationsbeispiele werden die Möglichkeiten und Einschränkungen am Markt verfügbarer Softwareprodukte aufgezeigt. Hierbei liegt die Gewichtung in einer qualitativ korrekten Abbildung der zu analysierenden Phänomene. Diese stellt die Basis für nachfolgende Parameterstudien dar, welche signifikante Einflussgrößen auf die Verzugsausbildung detektieren. Der Vorteil derartiger simulationsgestützter Analysemethoden gegenüber rein experimentellen Ansätzen wird diskutiert. Aufgrund der heutigen Verfügbarkeit spezialisierter anwenderfreundlicher Schweißsimulationssoftware und günstiger Rechenressourcen macht die Industrie in den letzten Jahren immer mehr von den zahlreichen Vorteilen einer virtuellen Prozessauslegung mit Hilfe der Schweißsimulation Gebrauch. Komplexe Praxisanwendungen können heutzutage innerhalb von 1-2 Wochen unter Berücksichtigung aller Arbeitsschritte bearbeitet werden. Die Anforderungen an den Anwender seitens der Numerik und Materialmodellierung hat sich drastisch verringert, wohingegen ein gewisses Maß an Wissen und Erfahrung vom simulierten Prozess weiterhin entscheidend für den Erfolg der Simulation ist. Am Beispiel des Einspritzventils konnte das Potential einer virtuellen Prozessauslegung anschaulich aufgezeigt werden.
In diesem Vortrag werden die Möglichkeiten vernetzter Sensorik zur Digitalisierung der schweißtechnischen Prozesskette aufgezeigt. Besonderer Fokus liegt auf der Fusion von Messdaten aus unterschiedlichen physikalischen Domänen. Dies ermöglicht die Korrelation relevanter den Schweißprozess charakterisierenden elektrischen Kenngrößen mit optisch gemessenen geometrischen Qualitätsmerkmalen der Schweißnaht. Die dynamische Prozessführung ermöglicht hierbei das Generieren großer inhomogener Datenmengen, was ein entsprechendes Schweißdatenmanagement erfordert. Durch Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens konnten Regressionsmodelle abgeleitet werden, welche Grundlage für eine adaptive Prozessführung sind.
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.
Life Cycle Assessment (LCA) and Social Life Cycle Assessment (SLCA) are applied in evaluating possible social and environmental impacts of the state-of-art welding technologies, such as Manual Metal Arc Welding (MMAW), Manual Gas Metal Arc Welding (GMAW), Automatic GMAW and Automatic Laser-Arc Hybrid Welding (LAHW). The LCA results indicate that for 1 meter weld seam, MMAW consumes the largest amount of resources (like filler material and coating on electrodes) and energy, which contributes to comparatively higher environmental impacts in global warming potential, acidification, photochemical ozone creation potential and eutrophication than other chosen processes. With regard to social aspects, the health issues and fair salary are under survey to compare the relative potential risk on human health caused by fumes in different welding technologies, and to indicate the sufficiency of current salary of welders in Germany. The results reflect that the wage status of welders is still fair and sufficient. The manual processes bring much higher potential risk of welders health than the automatic processes, especially MMAW.
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%.
A combined experimental numerical approach is applied to determine the transformation induced plasticity (TRIP)-parameter K for different strength low-alloy steels of grade S355J2+N and S960QL as well as the super martensitic filler CN13-4-IG containing 13 wt% chromium and 4 wt% nickel. The thermo-physical analyses were conducted using a Gleeble® 3500 facility. The thermal histories of the specimens to be tested were extracted from corresponding simulations of a real gas metal arc weldment. In contrast to common TRIP-experiments which are based on complex specimens a simple flat specimen was utilized together with an engineering evaluation method. The evaluation method was validated with literature values for the TRIP-parameter. It could be shown that the proposed approach enables a correct description of the TRIP behavior.
The development within the offshore wind sector towards more powerful turbines combined with increasing water depth for new wind parks is challenging both the designer as well as the manufacturer of bottom fixed support structures. Besides XL-monopiles, the market developed an innovative and economic jacket support structure which is based on automatically manufactured tubular joints combined with standardized pipes. Besides the improvements for a serial manufacturing process the automatically welded tubular joints show a great potential in terms of fatigue resistance e.g. due to a smooth weld geometry without sharp notches. However, these benefits are not considered yet within the fatigue design process of automatically manufactured jacket substructures according to current standards due to the lack of suitable S-N curves. Therefore, 32 axial fatigue tests on single and double-sided automatically welded tubular X-joints have been performed to determine a new hot spot stress related S-N curve. Based on these constant amplitude fatigue tests a new S-N curve equal to a FAT 126 curve was computed which implicitly includes the benefits of the automatically welding procedure.