Angewandte Physik
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Residual stress formation during repeated gouging and repair welding cycles of high-strength steels
(2024)
The construction of foundation and erection structures for wind power plants requires the use of modern, sustainable and resource-efficient high-strength fine-grained structural steels. Weld defects due to the welding process are unacceptable. To overcome this issue, local thermal gouging followed by re-welding is a common and cost-effective method. The high shrinkage restraint of the gouge by the surrounding structure can cause crack initiation when design and re-weld induced residual stresses are superimposed. This risk is intensified by the progressive degradation of the microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the weld repair process.
This investigation focuses on high-strength steels S500MLO for offshore applications and S960QL for mobile crane applications. The reduction and development of residual stresses caused by local thermal gouging and re-welding was investigated. Digital Image Correlated (DIC) stress-strain analysis was performed during preheating, welding and cooling. The results of the global DIC analysis and local longitudinal and transverse residual stresses of the weld determined by X-ray diffraction were found to be in good agreement. Furthermore, different stress levels were identified during gouging and welding. Repeated repair cycles led to an increase of longitudinal and transverse residual stresses in the weld metal as well as a hardness increase in the heat affected zone.
We present our approach and methodology for simulating piping erosion, which occurs during the installation process of suction bucket foundations for offshore wind turbines. We show several simulations and analyze the hydrodynamic and contact forces acting on the granular fabric and the differential pressure of the fluid phase. We demonstrate weak scaling performance on the LUMI supercomputer with a parallel efficiency of up to 90% for 4096 Graphics Compute Dies.
Die Transformation der Energienutzung von konventionellen zu erneuerbaren Quellen führt dazu, dass zukünftig mehr Energie effizient zwischengespeichert werden muss. Eine Möglichkeit der elektrochemischen Zwischenspeicherung bieten Lithium-Ionen-Batterien. Hierfür können ausgemusterte Automobilantriebsbatterien verwendet werden. Erfüllen sie die hohen Anforderungen des mobilen Bereichs nicht mehr, haben sie oftmals noch eine ausreichende Kapazität und Leistungsfähigkeit für die stationäre Zwischenspeicherung.
Neben der Verwendung der Batterien im größeren Maßstab, z.B. bei Energieversorgern, werden durch den vermehrten Einsatz von Photovoltaik-Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern verstärkt Zwischenspeicher für Privathaushalte nachgefragt. Dies birgt auch für Einsatzkräfte neue Herausforderungen in der Gefahrenabwehr.
Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „SEE-2L – Sicherheit elektrochemischer Energiespeicher in Second Life Anwendungen“ wurden Versuche mit Second Life Modulen durchgeführt. Verbundpartner im Projekt waren neben der vfdb die Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Zudem war das Institut der Feuerwehr Nordrhein-Westfalen eingebunden.
Die durchgeführten Versuche bilden eine Grundlage für die Einordnung der Batteriespeicher, z.B. aus Sicht des baulichen Brandschutzes, zur Methodik der Brandbekämpfung oder zur Risikobewertung hinsichtlich der Prozess- und Anlagensicherheit.
Im Beitrag werden die Versuchsergebnisse vorgestellt und Ansätze für deren Anwendung gezeigt. Um die gewonnenen Erkenntnisse zu vermitteln, wurde im Projekt zudem ein Schulungskonzept für Einsätze mit Lithium-Ionen-Technologien erarbeitet, das im Beitrag präsentiert wird. Es besteht aus theoretischen und praktischen Anteilen, sodass bei den Feuerwehren praxisnah aus- bzw. fortgebildet werden kann.
To address the challenges of the climate crisis, multiple solutions for sustainable energy sources and storage systems are needed. One such solution is lithium-ion batteries (LIBs). Currently, 5 to 30 % of LIBs are discarded immediately after manufacturing. The homogeneous distribution of all materials used in the coating of cathodes and anodes is critical for the quality of LIBs. Furthermore, during formation i.e., the first steps of the charge/discharge cycling, the solid-electrolyte interphase forms on the anode particles, which has a huge impact on the performance. The same happens to some extent on the cathode, forming the cathode-electrolyte interphase. Fluorinated polymers and electrolytes are used in the manufacturing of LIBs. The electrolyte in particular is prone to degradation during formation and aging of the batteries. The interface of the cathode material with the aluminum current collector is also a critical point where degraded fluorine components cause pitting corrosion and at the same time promote passivation of the metal foil. Monitoring the spatial distribution of fluorine on these surfaces and interfaces is essential for sustainable LIB production.
In order to reduce global warming, the use of hydrogen as a renewable energy source is becoming more important. To enable this transition, unprecedently large amounts of hydrogen need to be safely transported and stored. Since hydrogen is usually stored and transported under pressure, one scenario to be considered is the release of hydrogen from a leakage with subsequent ignition. The resulting jet flame must be characterized with respect to the thermal radiation emitted into the environment to define safety distances. Various models that characterize the resulting flame shape and radiation already exist in the literature, but these are mainly based on empirical data from hydrocarbon jet flames. To verify the applicability of these models to hydrogen, real-scale tests are carried out at the BAM Test Site for Technical Safety (BAM-TTS) with the aim to assess the flame geometry and the emitted thermal radiation. Parameters such as leakage diameter (currently up to 30 mm), pressure (currently up to max. 250 bar) and mass flow (up to max. 0.5 kg/s) are varied. In particular, the focus will be laid on the measurement and modelling of the thermal radiation. The challenge here is the characterization of the flame geometry in an open environment and its impact on the thermal radiation. Existing heat radiation data from literature are mostly based on unsteady outflow conditions. The experimental setup used here allows for the generation of a steady-state outflow for several minutes and thus a direct comparability with existing (steady-state) models. Furthermore, stationary outflow tests with hydrocarbons (methane) were also carried out, which are intended to serve as reference tests for checking flame models based on hydrocarbon data. Following from the experimental investigations, modelling parameters such as the Surface Emissive Power (SEP) and the radiant heat fraction for hydrogen and methane will be compared to literature data.
Einleitend wird im Vortrag das Aktivitätsfeld Elektrische Energiespeicher und -umwandlung vorgestellt sowie eine kurze Einführung in die Terminologie der elektrischen Energiespeicher gegeben. Im Folgenden wird das BMBF-Vorhaben SEE-2L vorgestellt. Hier wird der Schwerpunkt auf die Entwicklung und den Aufbau eines Großversuchsstand für das thermische Durchgehen von Lithium-Batterien auf Modul- und Batterieebene gelegt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse einer ersten Versuchsserie vorgestellt. Zum Abschluss wird ein kurzer Ausblick zu weiteren anstehenden Versuchen gegeben.
Second Life Verwendungen - Untersuchungen und erste Erfahrungen mit einem Ausbildungsdemonstrator
(2024)
Der Vortrag gibt zunächst einen Themeneinstieg in den Bereich der Second-Life-Batterien sowie rechtliche und technische Grundlagen zu Lebenszyklus und Alterung. Im Weiteren werden experimentelle Ergebnisse aus Versuchen zum thermischen Durchgehen mit Batteriemodulen aus dem BMBF-Vorhaben SEE-2L vorgestellt. Darüber hinaus wird ein eigens entwickelter Ausbildungsdemonstrators vorgestellt, welcher einen wesentlichen Baustein des Ergebnistransfers aus dem Vorhaben darstellt.
Im Rahmen des BMBF-Vorhabens SEE-2L wurde auf dem Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) ein Großversuchsstand für das thermische Durchgehen von Lithium-Batterien auf Modul- und Batterieebene entwickelt und aufgebaut. Im Zuge des Projektes konnte eine erste Versuchsserie zu den Auswirkungen des thermischen Durchgehens von Batteriemodulen durchgeführt werden. Im Vortrag werden die wesentlichen Ergebnisse der Versuche vorgestellt.
Low Transformation Temperature (LTT)-Schweißzusätze stellen einen innovativen Ansatz zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Konstruktionen dar. LTT-Schweißzusätze zeichnen sich durch eine martensitische Phasenumwandlung nahe der Raumtemperatur aus, welche Druckeigenspannungen in der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone (WEZ) generieren.
Dieser Vortrag fokussiert sich auf die gezielte Einbringung zusätzlicher LTT-Lagen an ermüdungskritischen Stellen von konventionell geschweißten Verbindungen. Dies ermöglicht eine ökonomische Anwendung, ohne dass die Schweißnahtintegrität zu stark beeinflusst wird. Die Auswirkungen zusätzlicher LTT-Lagen wurden anhand geschweißter Längssteifen aus hochfestem Stahl hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung und der Eigenspannungen untersucht. Unter Variation der Schweißgeschwindigkeit und Abstand zur konventionellen Naht konnten 3 unterschiedliche Nahtausführungen des Chrom-Nickellegierten LTT-Zusatzes bewertet werden.
Die chemische Zusammensetzung wurde mittels OES-Analysen untersucht. Dabei stellte heraus, dass die Aufmischung in allen Varianten sehr ähnlich war trotz teils unterschiedlicher LTT-Volumina. Härtebestimmungen ergaben in allen 3 Varianten eine ähnliche Härte. Daraus lässt sich annehmen, dass die Martensitstarttemperatur bei allen Nahtvarianten ähnlich ist.
Röntgenografische Eigenspannungsmessungen belegen, dass die Eigenspannungen am versa-genskritischen Nahtübergang bei Einsatz von LTT-Schweißzusätzen deutlich abgesenkt werden. Während die konventionelle Schweißnaht Zugeigenspannungen von ca. 350 MPa aufweist, können an den LTT-Nähten teilweise Druckeigenspannungen von bis zu -150 MPa nachgewiesen werden. Je höher der Abstand zur konventionellen Naht und je größer das eingebrachte LTT-Volumen ist, umso stärker sind die Eigenspannungsreduzierungen am Nahtübergang. Da in allen 3 Varianten eine ähnliche Martensitstarttemperatur angenommen werden kann, ist somit die Geometrische Komponente der LTT-Zusatzlage ein entscheidender Faktor für die Eigenspannungsreduzierung.
Dem AVK-Arbeitskreis Wasserstoff-Drucktanks werden ausgehend von Zielen und Aufgaben der BAM sowie der Fachkompetenz auf dem Gebiet der Sicherheit von Composite-Druckbehältern über die prüftechnische Ausstattung, die angewendeten und weiterentwickelten Prüf- und Untersuchungsmethoden sowie zu Beispielen von Forschungsvorhaben wie DELFIN, COLIBRI und SH2APED berichtet.
Packages for the transport of radioactive material are designed to en-dure severe accidents. Packages for the transportation of radioactive material must demonstrate that the package can withstand certain prescribed tests from the IAEA Regulations [1]. In addition to mechanical tests, a thermal test in form of a fire test must be carried out. As packages to be tested at BAM are signifi-cantly larger than previous package designs, BAM has expanded an existing fire test stand. A modular concept is chosen, which means that the arrangement of the burner nozzles can be adapted to the test specimen. The dimensions of the burner rings, the type, the orientation and the number of burner nozzles can be varied depending on the test specimen. In addition, various pumps can be used to set the corresponding mass flow. With the help of a calorimeter test, the fire test stand can be qualified for a specific size of packages regarding the boundary conditions of the IAEA Regulations [1]. Due to the typically wood filled impact limiters in German package designs, a fire test is necessary, as experiments have shown that possible openings that occurred during a mechanical test contributed to the igni-tion of the wood filled impact limiters within the prescribed 30 minutes of the IAEA Regulations [1]. From a series of experiments, two experiments are pre-sented to show the possibilities to obtain different temperatures and temperature rates in the test specimen. In addition to sensor data, the heat flux into the package is calculated to verify that the IAEA boundary conditions are satisfied. In addition to the temperature data, other data such as wind speed and wind direction are also recorded to explain subsequent effects in the measurement data in a comprehen-sible manner.
Germany had been transporting spent fuel to the reprocessing plant in Sellafield and La Hague for decades until around 2005. Resulting from the obligation to take back the vitrified high-level waste from reprocessing six CASTOR® HAW28M filled with 168 canisters with radioactive waste in vitrified form were transported from Sellafield to the interim storage facility Biblis in 2020. Rail wagons were used for the transport to the port in Barrow-in-Furness, where they were loaded into a dedicated seagoing vessel, certified as INF Class 3 according to the INF Code. This was the first time that vitrified high level waste with considerable heat load was transported under a German design approval certificate.
BAM was involved in the authority assessment of the conditions for the sea transport. For the first transport BAM required among others, assessment of temperature distribution during transport, logging of temperatures of cargo bays and graphical imaging of temperatures of the bay with the cask in order to ensure compliance with temperature specifications, e.g. maximal neutron absorber and gasket temperatures. Special interest was taken in the identification of possible events exceeding the specified temperatures considering the different philosophies of IMDG code and its supplement INF code regarding temperature control of hatches. Results show compliance with assumed conditions.
Der Bau von Gründungs- und Turmstrukturen für Windkraftanlagen erfordert den Einsatz moderner, nachhaltiger und ressourcenschonender hochfester Feinkornbaustähle. Durch den Schweißprozess verursachte Schweißnahtfehler sind nicht akzeptabel. Um diese zu beheben, ist das lokale thermische Fugenhobeln mit anschließendem Reparaturschweißen ein gängiges und wirtschaftliches Verfahren. Die hohe Schrumpfbehinderung um die ausgefugte Nut durch das umgebende Gefüge kann zu Rissbildung führen, wenn sich konstruktiv bedingte Spannungen und Eigenspannungen aus der Reparaturschweißung überlagern. Diese Gefahr wird durch die Verschlechterung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften hochfester Stähle während des Schweißreparaturprozesses noch verstärkt.
The presentation gives an overview of BAM's activities on processing influences and application properties of MPEAs in the form of joined and machined high and medium entropy alloys (CoCrFeMnNi and CoCrNi). In the case of welding, the focus is on defect-free welded joints with sufficient mechanical properties. In the case of machining, the focus is on the possible influence on the surface quality of the materials through adequate milling parameters. In addition, the hydrogen absorption and diffusion properties as well as the electrochemical corrosion behavior are fundamentally examined.
Lithium (Li), Boron (B), Nitrogen (N), Magnesium (Mg), and Calcium (Ca) are pivotal elements across various spheres such as the hydrosphere, biosphere, and lithosphere, significantly impacting (bio-) geochemical and physiological processes. These elements exhibit stable isotopes with substantial roles in geological, environmental, and biological studies. The traditional method for measuring isotope amount ratios has been through mass spectrometry, which, despite its accuracy, comes with high operational costs, the need for skilled operators, and time-consuming sample preparation processes.
Combining optical spectroscopy with chemometrics introduces an innovative, cost-effective approach by the hand of high-resolution continuum source atomic and molecular absorption spectrometry (HR-CS-AAS and HR-CS-MAS) for the analysis of isotope ratios in Li, B, N, Mg, and Ca. By analyzing the atomic or molecular absorption spectrum of the in-situ generated cloud of atoms of diatomic molecules (e.g., Li, BH, NO, MgF, CaF) during the electronic transition from the fundamental state, this method allows for the rapid determination of isotope ratios directly from sample solutions without the need for complex sample preparation.
For each element, the respective atomic or molecule's absorption spectrum was deconvoluted into its isotopic components using partial least squares regression or machine learning algorithms. Robust calibration models were developed, calibrated with enriched isotope, and validated against certified reference materials. Spectral data underwent preprocessing to optimize the modeling to determine the optimal number of latent variables.
The findings showcase that this optical spectrometric method yields results that agree with those obtained via inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), offering a promising, cost-effective, and rapid alternative for isotope analysis with precisions as low as ± 0.2‰. This approach is a significant advancement in analytical chemistry, providing a new way to study isotope variations in biological, environmental, and geological samples.
What does GD-OES reveal about the aging and manufacturing processes of lithium-ion batteries?
(2024)
Glow-Discharge Optical Emission Spectroscopy (GD-OES), a powerful analytical technique, sheds light on the two critical aspects of lithium-ion batteries (LIBs): manufacturing and aging 1, 2. We optimized cell production in manufacturing by adjusting parameters, including cathode doping, electrolyte concentration, and pressing force. GD-OES provided in-depth elemental composition and homogeneity analysis, which is crucial for identifying optimal manufacturing conditions. These findings were validated by electrochemical impedance spectroscopy, confirming the quality of the manufactured batteries.
Shifting the focus to aging, we use GD-OES for fluorine depth profiling, a key element in understanding polymer and electrolyte degradation. However, fluorine presents analytical challenges. We addressed this by substituting argon with a neon:argon mixture, which significantly enhanced fluorine detection sensitivity. This advancement not only improves accuracy but also holds the potential to guide sustainable and cost-efficient manufacturing strategies.
Through its versatility, GD-OES has proven to be a powerful tool for not only optimizing LIB manufacturing processes but also gaining deeper insights into their aging mechanisms. This research extends beyond academic interest, offering tangible benefits for the industry by translating into improved battery quality, extended lifespan, and overall performance.
Sicherheitstechnische Untersuchungen von Wasserstoff Freistrahlflammen bei Hochdruck im Realmaßstab
(2024)
Wasserstoff als Energieträger gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Untersuchung von Störfallauswirkungen mit Wasserstoff rückt somit stärker in den Fokus. Da Wasserstoff meist unter Druck gelagert und transportiert wird, ist ein zu betrachtendes Szenario die Freisetzung aus einer Leckage mit anschließender Zündung. Die daraus resultierende Freistrahlflamme (Jet Flame) muss hinsichtlich der in die Umgebung emittierten Wärmestrahlung charakterisiert werden. In der Literatur existieren bereits verschiedene Modelle, welche jedoch vermehrt auf Daten aus Kohlenwasserstoffflammen mit geringem Impuls basieren. Zur Überprüfung dieser Modelle wird im Zuge des BAM internen H2 Jet Flame Projektes die sicherheitstechnische Untersuchung von impulsbehafteten Wasserstoff Freistrahlflammen vorgenommen. Hierfür finden Versuche im Realmaßstab auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM-TTS) statt. Gegenstand der Untersuchungen ist die Beurteilung der Auswirkungen von realistischen Freisetzungsszenarien hinsichtlich der Flammengeometrie und der freigesetzten Wärmestrahlung. Dabei werden Parameter wie Freisetzungswinkel, Leckagedurchmesser (z.Zt. 1 mm bis 30 mm), Druck (z.Zt. bis max. 250 bar) und Massenstrom (bis max. 0,5 kg/s) variiert. Zusätzlich können auch Einflüsse wie Art der Zündung, Zündort sowie Zündung mit zeitlichem Verzug untersucht werden. Gewonnene Erkenntnisse werden mit den Ergebnissen bereits vorhandener Modelle verglichen und diese im Bedarfsfall weiterentwickelt. Insbesondere wird der Fokus auf die Modellierung der freigesetzten Wärmestrahlung von Wasserstoffflammen gelegt. Herausforderung dabei stellt die IR-Vermessung und Modellierung von Sichtmodellen der Flammen dar. Die Visualisierung der Flammengeometrie wird mit Hilfe mehrerer Infrarot Kamerasystemen (aus mindestens zwei Blickwinkeln) vorgenommen.
Bisherige Messungen, die in der Literatur zu finden sind, basieren meist auf instationären Auströmbedingungen. Der hier verwendete Versuchsaufbau ermöglicht ein stationäres Ausströmen für mehrere Minuten und somit eine direkte Vergleichbarkeit mit den existierenden (stationären) Modellen.
Weiterhin ist der Versuchsstand umrüstbar für Vergleichsmessungen mit Kohlenwasserstoffen (Methan etc.) sowie Mischungen aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen.
In order to reduce the human footprint of CO2 emissions and limit global warming effects hydrogen combustion is becoming increasingly important. To enable fuel cells and gas turbines to operates this carbon free fuel, unprecedently large amounts of hydrogen need to be produced and safely transported and stored. The investigation of the effects of accidents involving hydrogen is therefore becoming of outmost importance. Since hydrogen is usually stored and transported under pressure, one scenario to be considered is the release of hydrogen from a leakage with subsequent ignition. The resulting jet flame must be characterized with respect to the thermal radiation emitted into the environment to define safety regulations. Various models that characterize the resulting flame shape and radiation already exist in the literature, but these are mainly based on empirical data from hydrocarbon jet flames.[1-4] To verify these models, a H2 Jet Flame project conducted at BAM, is investigating the safety of momentum driven hydrogen jet flames. For this purpose, large-scale tests are carried out at the Test Site Technical Safety (BAM-TTS). The object of the investigations is to assess the effects of real scale release scenarios regarding flame geometry and the thermal radiation emitted. Parameters such as release angle, leakage diameter (currently 1 mm to 10 mm), pressure (currently up to max. 250 bar) and mass flow (up to max. 0.5 kg/s) are varied. In addition, influences such as the type of ignition, ignition location as well as delayed ignition can also be investigated. The gained knowledge will be compared with existing jet flame models, to validate these and identify a possible need for further development. In particular, the focus will be laid on the thermal radiation of hydrogen flames. The challenge here is the visualization and characterization of the flame geometry in an open environment. Visualization is performed using infrared (IR) camera systems from at least two viewing angles. Measurements of the heat radiation of jet flames, which can be found in the literature, are mostly based on unsteady outflow conditions.The experimental setup used here allows for the generation of a steady-state outflow for several minutes and thus a direct comparability with existing (steady-state) models. Furthermore, the tests can be carried out for comparative measurements with hydrocarbons (methane, etc.) as well as mixtures of hydrogen and hydrocarbons.