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- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (2)
- 7.7 Modellierung und Simulation (2)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (2)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (1)
- 5.5 Materialmodellierung (1)
Eingeladener Vortrag
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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.
The application of welded aluminum constructions has increased over the last decades due to the high demand for lightweight design. In this context aluminum alloys have a significant importance especially the heat treatable Al-Mg-Si alloys. With regards to welding the heat input causes the dissolving of the precipitates yielding a degradation of the strength properties. Furthermore, there is the risk of solidification cracking during welding for Al-Mg-Si alloys, especially AW 6082-T6. As a consequence Al-Mg-Si alloys are welded using a dissimilar filler material based on 5xxxx aluminum alloys that yields a reduction of resulting strength properties in comparison to the base material. Therefore, the paper presents the application of a novel massive filler wire for Al-Mg-Si alloys. The wire consists of AW 6082 with additionally added AlTi5B1 master alloy fostering the grain refinement of the weld metal. Exemplarily for the base material AW 6082-T6 GMA welding experiments are performed using the novel filler wire 6082TiB. It could be shown that solidification cracks could totally be avoided. The tensile strength of the welded joints are evaluated and compared with weldments using a conventional 5183 filler wire. Artificial aging is performed after welding in order to improve the strength properties by solution hardening showing the potential of these alloys.
Die in dieser Studie vorgestellte einfache Probengeometrie zeigt sich in Verbindung mit der
angewandten Versuchs- und Auswertemethodik geeignet, um den umwandlungsplastischen (TRIP)-Parameter K unter Verwendung des thermomechanischen Simulators Gleeble® 3500 experimentell zu bestimmen.
Der TRIP-Parameter K wurde für die Grundwerkstoffe S355J2+N und S960QL, sowie für den hochlegierten Zusatzwerkstoff CN13-4 -IG bestimmt.
Die numerische Einflussanalyse zeigt, dass bei der Berechnung von (Oberflächen-)Schweißeigen-spannungen die Vernachlässigung des TRIP-Effektes kaum einen Einfluss auf die Längseigenspannungen hat. Im Gegensatz da zu resultieren gegenüber dem Referenzfall signifikante Abweichungen der
Quereigenspannungen im und um den Schweißnahtbereich.
Die Verdopplung des TRIP-Parameters K gegenüber dem Referenzfall hat nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Längs- sowie Quereigenspannungen auf der Oberfläche.
Für eine qualitative und quantitative numerische Nachbildung der experimentell bestimmten Längs- und Quereigenspannungen ist die Berücksichtigung der Größenordnung des material-abhängigen TRIP-Parameters K notwendig.
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.
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.
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.
Surface modification of mild steel was undertaken using two covered electrodes and two tubular electrodes. The two covered electrodes are DIN 8555: E6-UM-60 and E10-UM-60GR; however, the two tubular electrodes are E10-GF-60GR1 and E10-GF-60GR2. Chemical analysis for the weld metal and XRD of the flux covering for covered electrodes and flux core for tubular electrodes were conducted. The most important factor in determining the wear resistance is the microstructure of the deposit layers. In similar carbon equivalent electrodes E10-UM-60GR and E10-GF-60GR1, electrode E10-GF-60GR1 (tubular) shows larger carbides area fraction and better wear resistance than electrode E10-UM-60GR (covered). This could be attributed to a lower dilution associated with tubular electrode compared with covered electrode. The two tubular electrodes showed higher wear resistance than the covered electrodes which is mainly due to the larger Fe-Cr carbide precipitation area fraction.
This paper presents an approach to reconstruct the three-dimensional transient temperature field for fusion welding processes as input data for computational weld mechanics. The methodology to solve this inverse heat conduction problem fast and automatically focuses on analytical temperature field models for volumetric heat sources and application of global optimisation. The important issue addressed here is the question which experimental data is needed to guarantee a unique reconstruction of the experimental temperature field. Different computational-experimental test cases are executed to determine the influence of various sets of discrete experimental data on the solvability of the optimisation problem. The application of energy distributions utilised for laser beam welding allows reconstructing the temperature field efficiently. Furthermore, the heat input into the workpiece determined by the simulation contributes to the evaluation of the thermal efficiency of the welding process.
The residual stress distribution of tungsten inert gas welded S235JRC+C plates was determined by means of neutron diffraction(ND). Large longitudinal residual stresses with maxima around 600 MPa were found. With these results as reference, the evaluation of residual stress with high spatial resolution GMR (giant magneto resistance) sensors was discussed. The experiments performed indicate a correlation between changes in residual stresses (ND) and the normal component of local residual magnetic stray fields (GMR). Spatial variations in the magnetic field strength perpendicular to the welds are in the order of the magnetic field of the earth.
Welding is the most important joining technology. In the steel construction
industry, e.g. production of windmill sections, welding accounts for a
main part of the manufacturing costs and resource consumption. Moreover, social
issues attached to welding involve working in dangerous environments. This aspect
has unfortunately been neglected so far, in light of a predominant focus on economics
combined with a lack of suitable assessment methods. In this chapter,
exemplary welding processes are presented that reduce the environmental and
social impacts of thick metal plate welding. Social and environmental Life Cycle
Assessments for a thick metal plate joint are conducted for the purpose of
expressing and analysing the social and environmental impacts of welding.
Furthermore, it is shown that state-of-the-art technologies like Gas Metal Arc
Welding with modified spray arcs and Laser Arc-Hybrid Welding serve to increase
social and environmental performance in contrast to common technologies, and
therefore offer great potential for sustainable manufacturing.
Numerical Sensitivity Analysis of TRIP-Parameter K on Weld Residual Stresses and Weld Distortion
(2016)
A combined experimental numerical approach is applied for a sensitivity analysis of the transformation induced plasticity (TRIP)-parameter K on welding residual stresses and welding distortion for the welding of the low-alloyed high-strength S960QOL with the high-alloyed hig-strength filler material CN13-4-IG. A thermo-mechanical FE model of a real GMA welding process was experimentally validated against termperature field, X-Ray stress measurments and optical distortion measurement. Within the sensititvity analysis K was varied and the influence on the calculated welding residual stresses and welding distortion is evaluated by performing corresponding FEA. The correct order of K magnitude is necessary in order to reproduce the residual stresses qualitatively and quantitatively. For the sufficient reproducing of the welding distortion the transformation induced plasticity can be neglected.
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 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.
An approach to develop an arc sensor for gap-width estimation during automated NG-GMAW with a weaving electrode motion is introduced by combining arc sensor readings with optical measurement of the groove shape to allow precise analyses of the process. The two test specimen welded for this study were designed to feature a variable groove geometry in order to maximize efficiency of the conducted experimental efforts, resulting in 1696 individual weaving cycle records with associated arc sensor measurements, process parameters and groove shape information. Gap width was varied from 18 to 25 mm and wire feed rates in the range of 9 to 13 m/min were used in the course of this study. Artificial neural networks were used as a modelling tool to derive an arc sensor for estimation of gap width suitable for online process control that can adapt to changes in process parameters as well as changes in the weaving motion of the electrode. Wire feed rate, weaving current, sidewall dwell currents and angles were used as inputs to calculate the gap width. Evaluation the proposed arc sensor model show very good estimation capabilities for parameters sufficiently covered during experiments.
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.
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.
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.
The determination of mechanical properties of welded Steel structures such as strength or ductility is a subject of high interest for the majority of Companies in the area of metal Processing. The material Parameters can be obtained by performing the tensile test on the samples made from a part of a component. In some cases, it is highly expensive to produce the tensile specimens especially from the weld metal, which contains different type of microstructure such as weld seam or heat affected zone in an extremely small area. Therefore, a method is described in this paper to determine the material Parameters of high strength Steel structures and welded joints locally and without any additional effort to perform the tensile test. In this method, instrumented indentation technique (IIT), an indenter is pushed on the flat surface of a specimen in a certain period of time and simultaneously the applied force and the corresponding indentation path are measured. The data related to the force-indentation diagram is given as input to an artificial neural network (ANN) to obtain the material Parameters. The ANN can be trained by generating the large qualitative data sets with numerical Simulation of the IIT procedure. The Simulation must be run several times with the different material model parameter sets to generate the numerous
force-indentation diagrams as the inputs of ANN. Then, the trained ANN is validated by performing the IIT on the welded joints and comparing the obtained material Parameters from ANN with the tensile test.
Consequently, the mechanical properties of welded joints can be determined by performing the IIT and evaluating the resulting data by the ANN.
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.
Resistance spot welding (RSW) is widely used in the automotive industry
as the main joining method. Generally, an automotive body contains
around 2000 to 5000 spot welds. Therefore, it is of decisive importance to characterize the mechanical properties of these areas for the further optimization and improvement of an automotive body structure. The present paper aims to introduce a novel method to investigate the mechanical properties and microstructure of the resistance spot weldment of DP1000 sheet steel. In this method, the microstructure of RSW of two sheets was reproduced on one sheet and on a bigger area by changing of the welding parameters, e. g. welding current, welding time, electrode force and type. Then, tensile tests in combination with digital Image correlation (DIC) measurement were performed on the notched tensile specimens to determine the mechanical properties of the weld metal.
The notch must be made on the welded tensile specimen to force the fracture and elongation on the weld metal, enabling the characterization of its properties. Additionally, the parameters of a nonlinear isotropic material model can be obtained and verified by the simulation of the tensile specimens. The parameters obtained show that the strength of DP1000 steel and the velocity of dislocations for reaching the Maximum value of strain hardening, are significantly increased after RSW. The effect of sample geometry and microstructural inhomogeneity of the welded joint on the constitutive property of the weld metal are presented and discussed.
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.
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.
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 Vortrag gibt einen Überblick über Arbeiten im Rahmen der Themenstellung "photonische Prozessketten" des SimCoLas Projekts. Es werden Ergebnisse zur Datendurchgängigkeit der Prozesskette Umformen/Laserstrahlschweißen sowie erste Ergebnisse zu numerischen Schweißstruktursimulationen zur Bewertung der Heissrisskritikalität eines tiefgezogenen Napfes beim Laserstrahlschweißen gegeben.
Die Präsentation gibt einen Überblick bezüglich der von der BAM im Rahmen des SimCoLas Verbundprojekts durchgeführten Arbeiten zum Thema "Photonische Prozessketten". Die numerisch abgebildete Prozesskette Tiefziehen/Laserstrahlschweißen wird darsgestellt und diskutiert. Fokus der Diskussion ist die entwickelte Methodik zur konsistenten Abbildung numerischer Prozessketten mit der Applikation Heissrisskritikalität beim Laserstrahlschweißen.
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.