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- 5 Werkstofftechnik (2)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (2)
- 7.7 Modellierung und Simulation (2)
- 8.5 Röntgenbildgebung (2)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (1)
- 5.5 Materialmodellierung (1)
- 7.1 Baustoffe (1)
- 8.3 Thermografische Verfahren (1)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (1)
Eingeladener Vortrag
- nein (45)
Die aktuelle Normung bezüglich mikroskopischer Untersuchungen von Schweißverbindungen und die Zulässigkeit von Mikrorissen sowie deren Definition ist nicht eindeutig. Nach der Darstellung derzeit gültiger Normen im Bereich der Bewertung von Schweißnähten, Qualifizierung von Schweißverfahren und Ausführung von Schweißverbindungen, wird auf Grundlage aktueller Schweißversuche an hochfesten vergüteten Feinkornbaustählen die Problematik von Mikrorissen diskutiert. Offene Punkte und Fragen bzw. Verbesserungsmöglichkeiten werden aufgezeigt und zur Diskussion gestellt. Schließlich wird auf die Klärung des Einflusses von Mikrorissen auf die mechanisch- technologischen Werkstoffkennwerte der Schweißverbindung unter statischer sowie zyklischer Beanspruchung hingewiesen. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Neither the latest standardisation with regard to microscopic investigations on welded joints nor the permissibility of microcracks and their definition are unambiguous. According to the representation of currently applicable standards in the fields of the assessment of welds, the qualification of welding processes and the execution of welded joints, the problems associated with microcracks are discussed on the basis of the latest welding tests on high-strength quenched-and-tempered fine-grained structural steels. Not only outstanding points and questions but also improvement possibilities are indicated and opened for discussion. Finally, attention is drawn to the clarification of the influence of microcracks on the mechanical- technological material parameters of the welded joint subjected to both static and cyclic stresses.
Refinement of the weld metal grain structure can improve the mechanical properties of the weld and decrease the susceptibility to solidification cracking of the weld metal. In this study, commercial Al Ti5B1 grain refiner was used to refine the microstructure of LB (laser beam) and GTA (gas tungsten arc) aluminum welds by inoculation. The grain refiner additions led to a significant decrease in the weld metal mean grain size whereby a transition from columnar to equiaxed grain structure (Columnar to Equiaxed Transition, CET) was observed. The development of both grain size and shape depended upon the base metal (Al alloys 1050A, 5083 and 6082) and upon the welding process. The GTA welding process allowed a more pronounced and a more efficient refinement than in LB welds. Furthermore, the influence of the solidification conditions on the CET was investigated through temperature measurements in the weld metal. The temperature profiles revealed a faster solidification of LB welds than in GTA welds. The results from the temperature measurements were also used to estimate (according to an existing model) the critical thermal gradient at which the CET occurs.
Influence of solute content and solidification parameters on grain refinement of aluminum weld metal
(2013)
Grain refinement provides an important possibility to enhance the mechanical properties (e.g., strength and ductility) and the weldability (susceptibility to solidification cracking) of aluminum weld metal. In the current study, a filler metal consisting of aluminum base metal and different amounts of commercial grain refiner Al Ti5B1 was produced. The filler metal was then deposited in the base metal and fused in a GTA welding process. Additions of titanium and boron reduced the weld metal mean grain size considerably and resulted in a transition from columnar to equiaxed grain shape (CET). In commercial pure aluminum (Alloy 1050A), the grain-refining efficiency was higher than that in the Al alloys 6082 and 5083. Different welding and solidification parameters influenced the grain size response only slightly. Furthermore, the observed grain-size reduction was analyzed by means of the undercooling parameter P and the growth restriction parameter Q, which revealed the influence of solute elements and nucleant particles on grain size.
Fast temperature field generation for welding simulation and reduction of experimental effort
(2011)
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 minimize 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 discretization 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 optimization 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.
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.
The objective of this paper is to demonstrate a new simulation technique which allows fast and automatic generation of temperature fields as input for subsequent thermomechanical welding simulation. The basic idea is to decompose the process model into an empirical part based on neural networks and a phenomenological part that describes the physical phenomena. The strength of this composite modelling approach is the automatic calibration of mathematical models against experimental data without the need for manual interference by an experienced user. As an example for typical applications in laser beam and GMA-laser hybrid welding, it is shown that even 3D heat conduction models of a low complexity can approximate measured temperature fields with a sufficient accuracy. In general, any derivation of model fitting parameters from the real process adds uncertainties to the simulation independent of the complexity of the underlying phenomenological model. The modelling technique presented hybridises empirical and phenomenological models. It reduces the model uncertainties by exploiting additional information which keeps normally hidden in the data measured when the model calibration is performed against few experimental data sets. In contrast, here the optimal model parameter set corresponding to a given process parameter is computed by means of an empirical submodel based on relatively large set of experimental data. The approach allows making a contribution to an efficient compensation of modelling inaccuracies and lack of knowledge about thermophysical material properties or boundary conditions. Two illustrating examples are provided.
The objective of this paper is to demonstrate a new simulation technique which allows the fast and automatic generation to temperature fields based on a combination of empirical and phenomenological modelling techniques. The automatic calibration of the phenomenological model is performed by a multi-variable global optimisation routine which yields the optimal fit between simulated and experimental weld charcteristics without the need for initial model parameters. For exemplary welding processes it is shown that linear 3D heat conduction models can approximate measured temperature fields with a high accuracy. The modelling approach presented comprises the automatic calibration against multiple experiments which permits simulating the temperature field for unknown process parameters. The validation of this composite simulation model is performed for exemplary welding processes and includes the prediction of the fusion line in the cross section and the corresponding thermal cycles.
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.
Fast Temperature Field Generation for Welding Simulation and Reduction of Experimental Effort
(2009)
Simultaneous measurement of tool torque, traverse force and axial force in friction stir welding
(2013)
Simultaneous measurement of the tool torque, traverse force and axial force during friction stir welding process is of great significance to the understanding of the underlying process mechanism and the optimizing of the process parameters. Different from the traditional measurement methods using load cell or rotating component dynamometer, an indirect but economical methodology is used in this study for the simultaneous measurement of the traverse force, axial force and tool torque by monitoring the output torques of the servo motors and main spindle three-phase AC induction motor inside the FSW machine. The values of the traverse force, axial force and tool torque are determined under different welding conditions, and the influencing factors are examined. The measured results in friction stir welding of AA2024-T4 aluminum alloys at different combinations of tool rotation speed and welding speed lay foundation for process optimization.
Microcrack formation during gas metal arc welding of high-strength fine-grained structural steel
(2014)
The recent development of high-performance-modified spray arc processes in gas metal arc welding due to modern digital control technology and inverter power sources enables a focused spray arc, which results in higher penetration depths and welding speed. However, microcracks occurred in the weld metal while approaching the process limits of the modified spray arc, represented by a 20-mm double layer DV-groove butt-weld. These cracks were detected in structural steel exhibiting a yield strength level of up to 960 MPa and are neither dependent on the used weld power source nor a consequence of the modified spray arc process itself. The metallographic and fractographic investigations of the rather exceptional fracture surface lead to the classification of the microcracks as hot cracks. The effects of certain welding parameters on the crack probability are clarified using a statistical design of experiment. However, these microcracks do not impact the design specification for toughness in the Charpy V-notch test (absorbed energy at -40 °C for the present material is 30 J).
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.
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.
This study examines the relationship between the magnetic mesostructure with the microstructure of low carbon steel tungsten inert gas welds. Optical microscopy revealed variation in the microstructure of the parent material, in the heat affected and fusion zones, correlating with distinctive changes in the local magnetic stray fields measured with high spatial resolution giant magneto resistance sensors. In the vicinity of the heat affected zone high residual stresses were found using neutron diffraction.
Notably, the gradients of von Mises stress and triaxial magnetic stray field modulus follow the same tendency transverse to the weld. In contrast, micro-X-ray fluorescence characterization indicated that local changes in element composition had no independent effect on magnetic stray fields.
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.
Numerical sensitivity analysis of TRIP-parameter K on weld residual stresses for steel S355J2+ N
(2016)
A combined experimental numerical approach is applied for sensitivity analysis of the transformation induced plasticity (TRIP)-parameter K on weld residual stresses for welding of structural steel of grade S355J2+N. K was determined experimentally using the Gleeble 3500 facility. A thermomechanical FE model of the real welding process was experimentally validated against temperature field and X-ray stress measurements. Within sensitivity analyses K was varied by several orders of magnitude and the influence on the calculated residual stresses is evaluated by performing corresponding FEA. The correct order of magnitude is sufficient to reproduce the residual stresses qualitatively and quantitatively.
Selecting a welding process for a given application is crucial with respect to the sustainability of part manufacturing. Unfortunately, since welding processes are evaluated by a number of criteria, preferences for one or the other process can be contradictory. However, the prevalent procedure of weight assignment for each criterion is subjective and does not provide information about the entire solution space. From the perspective of a decision maker it is important to be able to assess the entire set of possible weightings and answer the question which welding process is optimal for which set of weights. This issue is investigated by means of a weight space partitioning approach. Two welding processes are considered with respect to three criteria that reflect their economic and environmental performance. In order to find the most sustainable welding process the underlying weight space partition is evaluated.
Increasing performance and energy efficiency of Gas Metal Arc Welding by a high power tandem process
(2016)
Standard Gas Metal Arc Welding (Standard GMAW) and a high power Tandem GMAW (TGMAW) process are evaluated with respect to energy efficiency. Current, voltage and overall equipment power are measured and energy consumption is determined. The new key performance indicator Electrical Deposition Efficiency is introduced to reflect the energy efficiency of GMAW processes. Additionally, wallplug efficiency of the equipment is determined in order to identify the overall energy consumption. Results show that energy efficiency as well as economic process performance can be significantly increased by application of the TGMAW process. Furthermore findings indicate that wall-plug efficiency of the equipment is independent of power level and material transfer mode. A metal plate of 30 mm thick structural steel is joined by Standard GMAW and TGMAW to demonstrate the total energy savings for a real weld. Electricity consumption is reduced by more than 20 % using the high power TGMAW process.
Life Cycle Assessment (LCA) is applied in evaluating environmental impacts of state-of-the-art welding technologies. Manual Metal Arc Welding (MMAW), Laser Arc-Hybrid Welding (LAHW) and two Gas Metal Arc Welding (GMAW) variants are used to join a plate of 20 mm thick structural steel. The LCA results indicate that for 1 m weld seam, MMAW causes the highest environmental impacts in global warming potential (GWP), eutrophication potential (EP), acidification potential (AP), and photochemical ozone creation potential (POCP) among the selected processes, and the LAHW variant performances the least. Filler material and electricity consumptions generally dominate the impacts and reach shares of up to 80% and 61% in the respective impact categories. However, electrode coating consumption in MMAW remarkably contributes impacts on AP and EP, for instance 52% of AP and 76% of EP. Strategies for improvement of the applied welding technologies are discussed.
To increase the competitiveness of jacket substructures compared to monopiles a changeover from an individual towards a serial jacket production based on automated manufactured tubular joints com-bined with standardized pipes has to be achieved. Therefore, this paper addresses fatigue tests of automatical-ly welded tubular X-joints focusing on the location of the technical fatigue crack. For this X-joint, the detect-ed location of the technical crack is then compared to numerical investigations predicting the most fatigue prone notch considering the structural stress approach as well as the notch stress approach. Additionally, the fatigue prone hot spot according to both approaches is compared for a typical offshore jacket double-K-joint to emphasize the significance of the presented outcomes for the existing offshore structures. Besides, the welding process of the automated manufactured tubular X-joints is presented.
To increase the competitiveness of jacket substructures compared to monopiles a changeover from an individual towards a serial jacket production based on automated manufactured tubular joints combined with standardized pipes has to be achieved. Therefore, this paper ad-dresses the welding process of automated manufactured tubular X-joints. Additionally, fatigue tests of the automatically welded tubular joints are presented focusing on the location of the technical fatigue crack. The detected location of the technical crack is compared to numerical investigations predicting the most fatigue prone notch con-sidering the structural stress approach as well as the notch stress ap-proach.
To increase the competitiveness of jacket substructures compared to monopiles a changeover from an individual towards a serial jacket production based on automated manufactured tubular joints combined with standardized pipes has to be achieved. Therefore, this paper addresses fatigue tests of automatically welded tubular X-joints focusing on the location of the technical fatigue crack. The detected location of the technical crack is compared to numerical investigations predicting the most fatigue prone notch considering the structural stress approach as well as the notch stress approach. Besides, the welding process of the automated manufactured tubular X-joints is presented.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
The microstructure of a fusion weld has great influences on the susceptibility of the base material to hot cracking and on the mechanical properties of the weld. Small, globulitic grains are necessary for increased strength, ductility and toughness and for a low inclination to hot cracking instead of large, oblong grains. This study reports on the factors which exert the main influences on such grain refinement in the weld. Thus, the influences of the thermal conditions, the chemical composition of the weld metal and the number and type of solidification nuclei on the microstructure were classified for the TIG welding of three different aluminium alloys.
Die Mikrostruktur einer Schmelzschweißnaht hat großen Einfluss auf die Heißrissanfälligkeit des Grundwerkstoffs und die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht. Für eine erhöhte Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit und eine geringe Heißrissneigung sind anstatt großer, länglicher Körner kleine, globulitische Körner notwendig. Diese Studie berichtet über die Faktoren, die eine solche Schweißnahtkornfeinung hauptsächlich beeinflussen. So wurde für das Wolfram-Intertgasschweißen (WIG-Schweißen) von drei verschiedenen Aluminiumlegierungen der Einfluss der thermischen Bedingungen, der chemischen Zusammensetzung des Schweißguts und der Anzahl und Art der Erstarrungskeime auf die Mikrostruktur klassifiziert.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The microstructure of fusion welds has a significant influence on the susceptibility of the base material to hot cracking and on the mechanical properties of the weld. Small, globulitic grains are important for increased strength, ductility and toughness and for a low susceptibility to solidification cracking instead of large, columnar grains. This study shows the main influences on such weld metal grain refinement. Therefore, the influence of thermal conditions, the chemical composition of the weld metal and the number and type of solidification nuclei on the microstructure were classified for the TIG welding of three different aluminium alloys.
The accurate prediction of the thermal energy generation and distribution in friction stir welding process is of great significance for the optimization of the process parameters and the understanding of the underlying mechanisms. In this study, a new method of integrative calculation and measurement is proposed to obtain the more reasonable values of the frictional coefficient and the slip rate, which are both used to characterize the heat generation rate at the tool-workpiece contact interfaces. A three-dimensional model is established to fully couple the energy generation, heat transfer and material flow in friction stir welding of aluminum alloys. The energy produced by both interfacial friction and plastic deformation are taken into consideration. The analysis accuracy of the thermal energy generation and distribution is improved, and the distribution features of thermal energy density in the vicinity of the tool are elucidated. The predicted peak temperature values at some locations are in agreement with the experimentally measured ones.
The paper presents bounded volume heat sources and the corresponding functional-analytical expressions for the temperature field. The power density distributions considered here are normal, exponential and parabolic. The sources model real heat sources like the welding arc, laser beam, electron beam, etc., the convection in the weld pool as well as the latent heat due to fusion and solidification. The parameters of the heat source models are unknown a priori and have to be evaluated by solving an inverse heat conduction problem. The functional-analytical technique for calculating 3D temperature fields in butt welding is developed. The proposed technique makes it possible to reduce considerably the total time for data input and solution. It is demonstrated with an example of laser beam welding of steel plates.
This paper presents volume heat sources and the corresponding functional analytical Solutions for the transient temperature field. The considered energy distributions are normal, exponential and parabolic. The method follows the common approach in Computational Welding Mechanics (CWM) to account for the physics of the welding process and the resulting temperature field by phenomenological models for heat conduction. Therefore, the used heat source models are apparent heat sources that incorporate the real heat input as well as the fluid flow in the weld pool and the latent heat connected with phase transformations. The heat source models provide welding characteristics like thermal cycle and Fusion line in the cross section within short computational time. Consequently, inverse techniques on basis of optimisation algorithms enable the adaptation of the models to the experimental data efficiently. Furthermore, the direct evaluation of the energy distribution for the experimental fusion line in the cross section is demonstrated which enhances the numerical optimisation by reducing the number of unknown model Parameters and providing a reasonable initial guess within the model parameter space. The proposed temperature field models are validated with real laser beam welding experiments.