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- 7.7 Modellierung und Simulation (2)
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- 5.5 Materialmodellierung (1)
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Ein wesentliches Ziel der deutschen Industriepolitik besteht darin, Rahmenbedingungen zu schaffen, welche die Positionierung nachhaltiger Produkte und Prozesse innerhalb globaler Wertschöpfungsketten ermöglichen und ökoeffiziente Fertigungsprozesse langfristig sichern. In diesem Beitrag werden aktuelle Forschungsarbeiten zur Bewertung der Umweltwirkungen der schweißtechnischen Fertigungskette anhand ausgewählter Schmelzschweißverfahren unter Berücksichtigung vor- sowie nachgelagerter Fertigungsschritte dargestellt. Eine weit verbreitete und standardisierte Methode zur Abschätzung der Umweltwirkungen eines Produkts oder Prozesses ist die Ökobilanzierung. Hierbei stellen die Sachbilanzierung, das heißt die Ermittlung sämtlicher relevanter Energie- und Ressourcenverbräuche
während der schweißtechnischen Fertigung, aufgrund des hohen Dokumentationsaufwands, sowie die 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 (engl.: original equipment manufacturer) agieren, die Dokumentation des fertigungsspezifischen CO2-Verbrauches gefordert.
Ein weiterer Aspekt der Arbeiten beinhaltet Methoden zur automatisierten Erfassung von schweißtechnischen Produktionsdaten sowie deren Nachverfolgbarkeit. Anhand unterschiedlicher Schweißverfahren werden die aus den Produktionsdaten abgeleiteten Energie- und Ressourcenverbräuche automatisiert in die relevanten Umweltwirkungen überführt. Die analysierten Schweißprozesse umfassen dabei ein breites für kleine und mittlere Unternehmen (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.
Ein wesentliches Ziel der deutschen Industriepolitik besteht darin, Rahmenbedingungen zu schaffen, welche die Positionierung nachhaltiger Produkte und Prozesse innerhalb globaler Wertschöpfungsketten ermöglichen und ökoeffiziente Fertigungsprozesse langfristig sichern. In diesem Beitrag werden aktuelle Forschungsarbeiten zur Bewertung der Umweltwirkungen der schweißtechnischen Fertigungskette anhand ausgewählter Schmelzschweißverfahren unter Berücksichtigung vor- sowie nachgelagerter Fertigungsschritte dargestellt. Eine weit verbreitete und standardisierte Methode zur Abschätzung der Umweltwirkungen eines Produkts oder Prozesses ist die Ökobilanzierung. Hierbei stellen die Sachbilanzierung, das heißt die Ermittlung sämtlicher relevanter Energie- und Ressourcenverbräuche während der schweißtechnischen Fertigung, aufgrund des hohen Dokumentationsaufwands, sowie die 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 (engl.: original equipment manufacturer) agieren, die Dokumentation des fertigungsspezifischen CO2-Verbrauches gefordert. Ein weiterer Aspekt der Arbeiten beinhaltet Methoden zur automatisierten Erfassung von schweißtechnischen Produktionsdaten sowie deren Nachverfolgbarkeit. Anhand unterschiedlicher Schweißverfahren werden die aus den Produktionsdaten abgeleiteten Energie- und Ressourcenverbräuche automatisiert in die relevanten Umweltwirkungen überführt. Die analysierten Schweißprozesse umfassen dabei ein breites für kleine und mittlere Unternehmen (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.
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.
In diesem Vortrag werden die aktuellen Forschungsergebnisse im Bereich der ökologischen Bilanzierung von Schweißprozessen dargestellt. Der Fokus liegt hierbei in der automatisierten Berechnung der Umweltwirkungen der Schweißprozesse unter Berücksichtigung vor- und nachgelagerter Prozessschritte. Die Ermittlung der Ökobilanz eines Schweißprozesses erfordert lediglich die Sachbilanzierung relevanter In- und Outputströme. Letztere werden auf Basis entsprechender Sensormessdaten (Leistungsaufnahme Schweißanlagen, Medienverbrauch, etc.) automatisiert nachverfolgbar für jede Schweißung ermittelt.
In diesem Vortrag werden die aktuellen Forschungsergebnisse im Bereich der ökologischen Bilanzierung von Schweißprozessen dargestellt. Der Fokus liegt hierbei in der Ermittlung relevanter Wirkkategorien zur Charakterisierung der Umweltwirkungen von Schweißprozessen. Exemplarisch für verschiedene Verfahrenskombinationen werden die ökologischen Umweltwirkungen auf Basis eines Life Cycle Assessments ermittelt und verfahrensspezifische Einflussgrößen analysiert.
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.
Ein wesentliches Ziel der deutschen Industriepolitik besteht darin, Rahmenbedingungen zu schaffen, welche die Positionierung nachhaltiger Produkte und Prozesse innerhalb globaler Wertschöpfungsketten ermöglichen und ökoeffiziente Fertigungsprozesse langfristig sichern. In diesem Beitrag werden aktuelle Forschungsarbeiten zur Bewertung der Umweltwirkungen der schweißtechnischen Fertigungskette anhand ausgewählter Schmelzschweißverfahren unter Berücksichtigung vor- sowie nachgelagerter Fertigungsschritte dargestellt. Eine weit verbreitete und standardisierte Methode zur Abschätzung der Umweltwirkungen eines Produkts oder Prozesses ist die Ökobilanzierung. Hierbei stellen die Sachbilanzierung, das heißt die Ermittlung sämtlicher relevanter Energie- und Ressourcenverbräuche während der schweißtechnischen Fertigung, aufgrund des hohen Dokumentationsaufwands, sowie die 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 (engl.: original equipment manufacturer) agieren, die Dokumentation des fertigungsspezifischen CO2-Verbrauches gefordert. Ein weiterer Aspekt der Arbeiten beinhaltet Methoden zur automatisierten Erfassung von schweißtechnischen Produktionsdaten sowie deren Nachverfolgbarkeit. Anhand unterschiedlicher Schweißverfahren werden die aus den Produktionsdaten abgeleiteten Energie- und Ressourcenverbräuche automatisiert in die relevanten Umweltwirkungen überführt. Die analysierten Schweißprozesse umfassen dabei ein breites für kleine und mittlere Unternehmen (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.
Wire arc additive manufacturing enables the production of near-net shape large-volume metallic components leveraging an established industrial base of welding and cladding technology and adapting it for layer-wise material deposition. However, the complex relationship between the process parameters and resulting mechanical properties of the components still remains challenging. In case of high-strength Al-Mg-Si aluminum alloys, no commercial filler wires are yet available due the high susceptibility of solidification cracking as well as the necessary efforts to obtain acceptable mechanical properties. To address this need, we evaluated a novel filler wire based on AlMg0.7Si doped with a Ti5B1 master alloy to foster fine equiaxed grains within the deposited metal. The correlation between the process parameters and component quality was examined by analyzing the size and distribution of pores as well as the grain morphology. Furthermore, we evaluated the influence of different post-weld heat treatment strategies to achieve mechanical properties corresponding to the reference wrought material. We demonstrated that fine equiaxed grains in the weld metal reduced the susceptibility of solidification cracking significantly. The novel AlMg0.7Si-TiB (S Al 6063-TiB) filler wire facilitated wire arc additive manufacturing of high-strength aluminum components with mechanical properties that were almost as superior as the corresponding wrought base material.
Der Einsatz von Aluminiumlegierungen als Konstruktionswerkstoff hat in den letzten Jahrzehnten aufgrund seines überlegenen Festigkeits-/ Gewichtsverhältnisses zugenommen. Dabei spielen höherfeste aushärtbare Al-Mg-Si-Legierungen eine wichtige Rolle.
Dieser Beitrag konzentriert sich auf die additive Fertigung von Prinzipbauteilen aus einer Al-Mg-Si-Aluminiumlegierung mittels Wire + Arc Additive Manufacturing. Werkstoffe dieses Legierungssystems weisen eine ausgeprägte Heißrissanfälligkeit auf, weshalb das artgleiche Fügen dieser Materialien, mittels Metallschutzgasschweißen, heutzutage immer noch eine Herausforderung darstellt. Kommerzielle Al-Mg-Si-Schweißdrähte sind am Markt nicht verfügbar.
In dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit eines neuartigen Al-Mg-Si-Schweißdrahtes mit zusätzlichen kornfeinenden Elementen für die additive Fertigung mittels MSG-Verfahren gezeigt. Dazu wird der Zusammenhang von verwendeten Prozessparametern und der resultierenden Bauteilqualität untersucht, wobei die Größe und Verteilung von Poren sowie die Kornmorphologie analysiert werden. Darüber hinaus wird der Einfluss einer T6 Wärmenachbehandlung auf die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes untersucht und ein Vergleich zum entsprechenden Referenzmaterial (Knetlegierung) gezogen.
Direct energy deposition additive manufacturing technologies utilizing an electric arc offer a great potential in generating large volume metal components. However, the selection of process parameters that yield the desired near net shape design as well as the requested mechanical component behavior is not a trivial task due to the complex relationship. Exemplarily for additive manufacturing of high-strength precipitation hardening AlMgSi-aluminum alloy this paper shows the application of a newly developed matching solid welding wire doped with TiB as grain refiner. The correlation between process parameters and component quality is examined analyzing the size and distribution of pores as well as the grain morphology. Furthermore, the influences of different post-weld heat treatments are evaluated to meet the reference mechanical properties of the corresponding wrought material. Finally, the digital integration of the entire additive manufacturing chain enables an overall traceability of the relevant process steps which is the basis for a reliable subsequent quality assessment.
Der Einsatz von Aluminiumlegierungen als Konstruktionswerkstoff hat in den letzten Jahren stetig zugenommen. Insbesondere höherfeste Aluminiumlegierungen, wie die Vertreter der 6000’er Aluminiumgruppe, rücken Aufgrund ihres hervorragenden Festigkeits- / Gewichtsverhältnisses immer mehr in den Fokus.
Vertreter dieser Aluminiumklasse, die als Hauptlegierungselemente Magnesium und Silizium beinhalten, weisen neben der bei allen Aluminiumlegierungen präsenten Affinität zur Porenbildung zusätzlich eine ausgeprägte Heißrissanfälligkeit auf. Die additive Verarbeitung von Al-Mg-Si-Legierungen mittels MSG Verfahren gestaltet sich daher herausfordernd.
Neben der Schweißeignung ist die geometrische Gestalt der Schweißraupe für die additive Fertigung von entscheidender Bedeutung. Spurbreite und Spurhöhe sind maßgebliche Größen, die bei der Pfadgenerierung im Hinblick auf Endkonturnähe und der Vermeidung von Ungänzen, Poren und Bildefehlern zu beachten sind.
Dieser Beitrag zeigt am Beispiel des Wire Arc Additive Manufacturing von Al-Mg-Si-Legierungen einen Ansatz, mit dem es möglich ist, zeit- und kostenintensive vollfaktorielle Parameterstudien zum Erhalt von Spurgeometrie und Schweißqualität durch dynamische Parameterstudien zu ersetzen.
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.
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.
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.
The digitalization of industrial processes is the most discussed topic in society these days. New business models have been developed to benefit from the opportunities offered by a digitally connected world. However, the focus in on the smart factory consisting of autonomous acting cyber physical systems (CPS). The efficient implementation of such CPS within an industrial environment requires the digitalization of the corresponding production processes. The digital twin of the process under investigation enables to develop sophisticated monitoring and control strategies which are necessary to fulfil the requirements of individual product design.
The need for a digitalization of the welding process is a logical consequence especially with regards to its industrial importance. The theoretical investigations and derived mathematical models of the welding process are well known since many decades. Anyhow, there is still a lack of industrial applicability of such models for an efficient and safe design of welded components. With respect to structural welding simulation that targets the heat effects of welding in terms of global quantities like temperature, solid phase distribution and residual stresses as well as distortions, the limited predictability of these quantities for arbitrary process parameters hinders its usability.
This presentation aims to give an overview of the current state of the art in structural welding simulation to predict the evolution of welding induced temperatures, stresses and distortions. Emphasis is given to industrial applicability of such models by reduction of the calculation times for large real-world structures and improved prediction of optimal process parameters. Furthermore, the role of such models within a weld data management system is demonstrated. The accumulation and relational storage of simulation and measuring data improves the overall process knowledge. This enables virtual cause and effect analyses of new process parameters as basis for a control system design.
In order to generate a material data base for computational welding mechanics, temperature and strain-rate dependent stress-strain experiments were performed by using a Gleeble®3500 testing system. The object of the investigation was HSLA transformable steel S960QL and related solid phases as bainite, martensite and austenite. For the production of these solid phases, the base material was heat treated according to an average weld temperature cycle which was extracted within the heat affected zone of a thermal numerical weld simulation of a GMA weld. The hot tensile tests were carried out via cost-saving flat specimen geometries. Two experimental series with different strain-rates were conducted, where the longitudinal strain-rate was controlled by specification of the transversal strain-rate applying Poisson’s-ratio. Subsequently, the resulting stress-strain curves were approximated in accordance with the Ramberg-Osgood-materials law. Consequently, it is shown that the temperature and strain-rate dependent stress-strain behavior of metals can be successfully characterized by means of a Gleeble®-system.
However, this requires a control of the longitudinal strain-rate by specification of the transversal strain-rate. The related experimental procedure and the method of evaluation are explained in detail. With regard to all tested solid phases, a significant strain-rate dependency can only be observed upwards from temperatures of 400 °C. Based on experimental results, Ramberg-Osgood-parameters will be presented to describe the stress-strain behavior of steel S960QL and related solid phases for temperatures between 25 °C and 1200 °C. Furthermore, the use of costsaving flat specimen-geometry appears reasonable.
Die Anwendung von Leichtbauprinzipien im Stahlbau, wie z.B. die Verwendung von aufgelösten Tragstrukturen, sog. Jackets-Fundamenten, bietet ein großes Potential zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, insbesondere im Hinblick auf die benötigte Stahlmenge.
In diesem Vortrag zeigen wir die Potenziale einer vollständigen Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungs- und Prüfkette auf, um eine vollautomatische Fertigung sowie Qualitätsprüfung von Rohrknoten als Schlüsselelement von Jackets-Fundamenten zu ermöglichen. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen der Geometrie der Nahtform und der resultierenden Ermüdungsfestigkeit durch numerische Methoden unter Einbeziehung bionischer Prinzipien bewertet. Es wird gezeigt, dass Hohlprofilknoten vollautomatisch unter Berücksichtigung von Geometrietoleranzen geschweißt werden können. Darüber hinaus konnte die Nahtform gemäß den numerischen Modellen hergestellt werden, was ein großes Potenzial für eine verlängerte Lebensdauer bietet. Anschließend werden die Verbesserungen bei der Ressourceneffizienz und die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen durch eine Lebenszyklusanalyse bewertet.
Die Anwendung von Leichtbauprinzipien im Stahlbau, wie z.B. die Verwendung von aufgelösten Tragstrukturen, sog. Jackets-Fundamenten, bietet ein großes Potential zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, insbesondere im Hinblick auf die benötigte Stahlmenge.
In diesem Vortrag zeigen wir die Potenziale einer vollständigen Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungs- und Prüfkette auf, um eine vollautomatische Fertigung sowie Qualitätsprüfung von Rohrknoten als Schlüsselelement von Jackets-Fundamenten zu ermöglichen. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen der Geometrie der Nahtform und der resultierenden Ermüdungsfestigkeit durch numerische Methoden unter Einbeziehung bionischer Prinzipien bewertet. Es wird gezeigt, dass Hohlprofilknoten vollautomatisch unter Berücksichtigung von Geometrietoleranzen geschweißt werden können. Darüber hinaus konnte die Nahtform gemäß den numerischen Modellen hergestellt werden, was ein großes Potenzial für eine verlängerte Lebensdauer bietet. Anschließend werden die Verbesserungen bei der Ressourceneffizienz und die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen durch eine Lebenszyklusanalyse bewertet.
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.
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 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.
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.
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.
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 increasing adoption of Open Science principles has been a prevalent topic in the welding science community over the last years. Providing access to welding knowledge in the form of complex and complete datasets in addition to peer-reviewed publications can be identified as an important step to promote knowledge exchange and cooperation. There exist previous efforts on building data models specifically for fusion welding applications; however, a common agreed upon implementation that is used by the community is still lacking. One proven approach in other domains has been the use of an openly accessible and agreed upon file and data format used for archiving and sharing domain knowledge in the form of experimental data. Going into a similar direction, the welding community faces particular practical, technical, and also ideological challenges that are discussed in this paper. Collaboratively building upon previous work with modern tools and platforms, the authors motivate, propose, and outline the use of a common file format specifically tailored to the needs of the welding research community as a complement to other already established Open Science practices. Successfully establishing a culture of openly accessible research data has the potential to significantly stimulate progress in welding research.
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.
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.
In diesem Vortrag werden aktuellen Forschungsarbeiten bezüglich der Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungskette dargestellt. Anwendungsbeispiel ist das automatisierte Schweißen von Hohlprofilknoten, welche für die Fertigung von Jacket-Gründungsstrukturen für Offshore Windenergieanlagen eingesetzt werden. Besonderer Fokus liegt hierbei auf der Datenübergabe an nachgelagerter Prozessschritte bzw. externe Forschungspartner. Die Rückverfolgbarkeit des Fertigungsprozesses ermöglicht die zeitliche und räumliche Zuordnung von Prozessparametern (elektrische Signale) zu geometrischen Eigenschaften der Schweißnaht (Kerbgeometrie) bis hin zur numerisch berechneten Lebensdauer.
More than 80 representatives of SMEs, industrial companies and research institutes met on September 12 at the workshop "Challenges in Additive Manufacturing: Innovative Materials and Quality Control" at BAM in Adlershof to discuss the latest developments in materials and quality control in additive manufacturing.
In special lectures, researchers, users and equipment manufacturers reported on the latest and future developments in additive manufacturing. Furthermore, funding opportunities for projects between SMEs and research institutions on a national and European level were 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 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.
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.
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.
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.
Modeling of gas metal arc welding process using an analytically determined volumetric heat source
(2013)
High peak temperature and continuous deposition of electrode droplets in the weld puddle inhibit real-time monitoring of thermal cycles and bead dimensions in gas metal arc welding. A three-dimensional numerical heat transfer model is presented here to compute temperature field and bead dimensions considering a volumetric heat source to account for the transfer of arc energy into the weld pool. The heat source dimensions are analytically estimated as function of welding conditions and original joint geometry. The deposition of electrode material is modeled using deactivation and activation of discrete elements in a presumed V-groove joint geometry. The computed values of bead dimensions and thermal cycles are validated with the corresponding measured results. A comparison of the analytically estimated heat source dimensions and the corresponding numerically computed bead dimensions indicate that the former could rightly serve as the basis for conduction heat transfer based models of gas metal arc welding process.
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).
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.