This diploma thesis is resolving all the possibilities of enhancing the efficiency of furnace structures welding. Small batch production does not offer many possibilities for implementing mechanization or automation. On the other hand, when using a big batch production, efficiency can be enhanced by means of a robotic workstation. When the production batch is big enough, we will see a costs save after a short time, mainly in labor costs. This means the return of investments will be in short time period. In the LAC company there are three types of products made. At laboratory furnaces the efficiency can be enhance by using fixtures. At other standard and atypical furnaces is very difficult to design fixtures or positioners because of their different sizes. Big complication can be also a company location on second floor. The most suitable product regarding to welding efficiency enhancement is big batch production of heaters. For this type the welding time can be shortened by means of a robotic workstation.

Im Anlagenbau und der Energietechnik werden Rohrleitunen vornehmlich aus nichtrostenden Stählen hergestellt Hierbei hat sich das WIG-Orbitalschweißen als standardmäßiges Fügeverfahren etabliert. Es bietet hohe erreichbare Gütewerte der Fügestelle und eine gute Reproduzierbarkeit der Schweißergebnisse. Aufgrund der positiven Eigenschaften von Kupfer, besteht in einigen Anwendungsbereichen ein gesteigertes Interesse an der Substitution von Rohren aus nichtrostendem Stahl durch Kupferleitungen. Gegenwärtig werden dünnwandige Kupferrohre meist durch Pressfittings, Klemm- sowie Schneidringverschraubungen oder Löten gefügt. Wegen der hohen erreichbaren Gütewerte der Fügeverbindung, ist eine Anwendung des WIG-Orbitalschweißverfahrens auch für Kupferrohre wünschenswert. Ziel dieser Arbeit ist die Bewertung der Schweißversuche zur Etablierung des WIG-Orbitalschweißverfahrens für dünnwandige Kupferrohre. Dazu werden zunächst grundlegende Aussagen über den Rohrleitungswerkstoff Kupfer und das WIG-Orbitalschweißverfahren zusammengetragen. Anschließend werden der Aufbau und die Durchführung der Experimente beschrieben sowie eine Auswertung der Versuchsergebnisse vorgenommen. Die Prüfung der Schweißergebnisse erfolgt durch zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren. Soweit vorhanden, wird sich dabei an gebräuchlichen Normenwerken orientiert. Als Ergebnis der Versuche zeigt sich, dass eine sichere Durchschweißung mit einer guten Wurzelausbildung realisierbar ist. Jedoch sind die Schweißnähte sowohl innerlich, wie auch oberflächlich, anfällig für Hohlraumbildung. Innerlich ist eine gleichmäßige Verteilung von Poren, über den gesamten Rohrquerschnitt, zu beobachten. Oberflächlich konzentrieren sich die Unregelmäßigkeiten hauptsächlich auf das oberste Viertel der Schweißnaht, welches in der Rohrposition für Fallendschweißen gefügt wurde. Trotz der detektierten Unregelmäßigkeiten stellt das WIG-Orbitalschweißen ein vielversprechendes Fügeverfahren zum Verbinden dünnwandiger Kupferrohre dar. Bereits denkbare Anwendungen wären Rohre im Niederdruckbereich, welche permanent vom selben Medium durchströmt werden sowie Abgas- und Abwasserleitungen. Aus Korrosionsschutz- und Sicherheitsgründen wird jedoch von einer Durchströmung der Leitungen mit sauren oder toxischen Fluiden abgeraten.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielstellung 1 1.3 Methodik 2 2 Stand der Technik 4 2.1 Rohrleitungen für hochreine Fluide 4 2.2 Kupfer als Konstruktionswerkstoff 5 2.2.1 Allgemeines 5 2.2.2 Kupfersorten 8 2.2.3 Festigkeitswerte von Kupferrohren 9 2.2.4 Schweißeignung von Kupfer 11 2.2.5 Schmelzschweißverbindung von Kupferbauteilen 13 2.2.6 Konventionelle Fügetechniken bei Kupferrohren 16 2.3 WIG-Schweißverfahren 20 2.3.1 Allgemeines 20 2.3.2 Inerte Prozessgase 23 2.3.3 Gepulstes WIG-Schweißen 25 2.3.4 WIG-Orbitalschweißen 27 3 Präzisierung der Aufgabenstellung 31 4 Aufbau und Durchführung der Versuche 32 4.1 Anforderungen an das Verfahren 32 4.2 Experimentelle Rahmenbedingungen 32 4.2.1 Geometrie der Fügestelle 32 4.2.2 Werkstoffauswahl 34 4.2.3 Angewandter Schweißprozess 34 4.2.4 Prozessgasauswahl 34 4.2.5 Verwendete Geräte und deren Modifikationen 35 4.2.6 Schweißparameter 42 4.2.7 Arbeitsvorbereitung 45 4.3 Angewandte Prüfungsverfahren 45 4.3.1 Allgemeines 45 4.3.2 Sichtprüfung 45 4.3.3 Eindringprüfung 46 4.3.4 Durchstrahlungsprüfung 47 4.3.5 Druckprüfung 47 4.3.6 Zugversuch 49 4.3.7 Wurzelprüfung 49 4.3.8 Elementaranalyse oberflächennaher Schichten 50 4.4 Einteilung und Bewertung von Unregelmäßigkeiten 50 4.5 Versuchsablaufplan 51 5 Auswertung der Versuchsergebnisse 54 5.1 Prüfungsergebnisse 54 5.1.1 Sichtprüfung 54 5.1.2 Eindringprüfung 55 5.1.3 Durchstrahlungsprüfung 56 5.1.4 Druckprüfung 58 5.1.5 Zugversuch 61 5.1.6 Wurzelprüfung 63 5.1.7 Elementaranalyse oberflächennaher Schichten 63 5.2 Analyse festgestellter Unregelmäßigkeiten 66 5.2.1 Detektierte Unregelmäßigkeiten 66 5.2.2 Hohlraum 68 5.2.3 Diskussion eventueller Ursachen vor Hohlräumen 72 5.2.4 Formfehler 74 5.2.5 Sonstige Unregelmäßigkeiten 75 5.3 Beobachtungen während der Schweißversuche 76 5.3.1 Nahtbild 76 5.3.2 Verschleiß 77 5.3.3 Temperaturmessung 79 5.4 Reproduzierbarkeit der Schweißergebnisse 81 5.5 Fazit der Versuche 81 6 Zusammenfassung und Ausblick 83 7 Register 86 7.1 Literaturverzeichnis 86 7.2 Abkürzungsverzeichnis 92 7.3 Formelzeichen- und Einheitenverzeichnis 94 7.4 Normenverzeichnis 96 7.5 Abbildungsverzeichnis 100 7.6 Tabellenverzeichnis 102 8 Anhang 104 8.1 Anhangsverzeichnis 104 8.2 Darstellungen 105 9 Eidesstattliche Erklärung 115 10 Datenträger 116

No description available.

Il est bien rapporté dans la littérature que les caractéristiques du joint soudé ainsi que le transfert de chaleur à l'interface liquide/solide sont fortement dépendants de l'écoulement du métal liquide. Ce travail porte sur l'étude numérique de l'influence des paramétres opératoires de soudage sur les bains de fusion TIG. Un modéle 2D incluant la cathode, le plasma d'arc et l'anode est développé pour l'étude du soudage TIG spot. Il permet également de quantifier les effets de la composition chimique du gaz, et de simuler des techniques innovantes tel que le soudage avec gaz pulsé. Le soudage TIG avec torche mobile et apport de matiére est modélisé à l'aide d'une approche hybride 2D-3D. Les simulations numériques pour des positions de soudages horizontales révèlent une dissymétrie de la soudure dans la direction opposée à la gravité, ce qui est dû à l'action de la flottabilité et à la déformation assymétrique de la surface libre. Ce défaut peut être considérablement réduit lors du soudage de matériaux à taux de soufre différents, en plaçant la pièce bas soufre en bas.

Die Bildung von Anlauffarben durch molekularen Sauerstoff im Wurzelschutzgas ist bereits gut erforscht. Weitere Sauerstoffquellen für die Bildung von Anlauffarben sind Feuchte und CO2. Besonders Feuchte ist in diesem Zusammenhang kritisch, da sie sich wesentlich langsamer mit den etablierten Mitteln entfernen lässt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte für durch Feuchte verursachte Anlauffarben im Wurzelschutzgas ein Grenzwert von 300 ppm bei 23 °C ermittelt werden. Die Farbausprägung der durch Feuchte verursachten Anlauffarben tendiert besonders bei schwachen bis mittleren Ausprägungen (450-800 ppm) stärker ins Bräunliche als die durch molekularen Sauerstoff verursachten Anlauffarben. Mit Hilfe des an der TU Dresden entwickelten Algorithmus für die Auswahl von Gaskomponenten für Prozessgase, wurde für das gepulste WIG-Orbitalschweißverfahren von austenitischen CrNi-Stahlrohren das Gasgemisch Ar/He/H2 20/70/10 ausgewählt. Gegenüber dem ursprünglich als Prozessgas verwendeten Argon und einem Ar/He 70/30 Gemisch, zeigte sich eine mögliche Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit um den Faktor 3,5. Bei Fragen und Anmerkungen zur Arbeit sowie beim Verfassen einer weiterführenden Arbeit bitte Kontakt mit dem Autor aufnehmen (gerd.hauser@gmx.de). Dieser ist an einer Weiterführung des Themas sowie einer unabhängigen Überprüfung der Messwerte sehr interessiert. / The formation of annealing colors by molecular oxygen in the backing gas is already well understood. Other sources of oxygen for the formation of annealing colors are humidity and CO2. Moisture is especially critical in this context, since they can be removed much more slowly with the established agents. As part of this work can be set a limit for annealing colors (caused by moisture in the root protection gas) of 300 ppm moisture with a environment temparatur of 23 ° C. The annealing colors caused by humidity tends especially in low to moderate conzentrtions (450-800 ppm) mor to a brownish than the annealing colors caused by molecular oxygen. Using the algorithm developed at the TU Dresden for the selection of gas components for process gases,the gas mixture Ar/He/H2 20/70/10 was chosen for the pulsed TIG orbital welding of austenitic stainless steel tubes. Compared to the originally used process gas argon and Ar/He-mixture 70/30, showed the Ar/He/H2 mixtur a possible increase in feed rate by a factor of 3.5.

Au cours de ce travail, un modèle physique et numérique 3D du procédé de soudage à l’arc TIG (Tungsten Inert Gas) a été développé dans l’objectif de prédire, en fonction des paramètres opératoires, les grandeurs utiles au concepteur d’assemblages soudés.Le modèle développé, à l’aide du code de calcul aux éléments finis Cast3M, traite les phénomènes physiques agissant dans la pièce et, plus particulièrement, dans le bain de soudage, l’arc étant traité comme une source. Pour ce faire, les équations non-linéaires de la thermohydraulique couplées à celles de l’électromagnétisme sont résolues en régime stationnaire avec un modèle prenant en compte la surface libre déformable du bain de soudage.Une première étape du développement a porté sur la modélisation des phénomènes électromagnétiques par deux méthodes numériques différentes, à comparer les résultats numériques obtenus avec ceux de la littérature. Ensuite, afin de valider le pouvoir prédictif du modèle, des simulations de différentes configurations de soudage d’intérêt ont été étudiées, en variant la composition chimique du matériau, la vitesse de défilement, la pression d’arc imposée et, plus particulièrement, la position de soudage. Des comparaisons avec des expériences et des modèles numériques de la littérature confirment les bonnes tendances obtenues. Enfin, une approche de la modélisation de l’apport de matière a été abordée et des résultats de cette approche ont été montrés. Notre modèle complet constitue donc une base solide pour le développement de modèles de simulation numérique du soudage (SNS) 3D totalement couplés avec l’arc dans le futur et sera intégré dans le logiciel métier WPROCESS. / In this work, we develop a 3D physical and numerical model of the GTA (gas tungsten arc) welding process in order to predict, for given welding parameters, useful quantities for the designer of welded assembly.The model is developed in the Cast3M finite element software and takes into account the main physical phenomena acting in the workpiece and particularly in the weld pool, subject to source terms modeling the arc part of the welding process. A steady solution of this model is thought for and involves the coupling of the nonlinear thermohydaulics and electromagnetic equations together with the displacement of the deformable free surface of the weld pool.A first step in the development consisted in modeling the electromagnetic phenomena with two different numerical methods, in comparing the numerical results obtained with those of the literature. Then, in order to assess the predictive capability of the model, simulations of various welding configurations are performed : variation in the chemical composition of the material, of the welding speed, of the prescribed arc pressure and of the welding positions, which is a focus of this work, are studied. A good agreement is obtained between the results of our model and other experimental and numerical results of the literature. Eventually, a model accounting for metal filling is proposed and its results are discussed. Thus, our complete model can be seen as a solid foundation towards future totally-coupled 3D welding models including the arc and it will be included in the WPROCESS software dedicated to the numerical simulation of welding.

Die Bildung von Anlauffarben durch molekularen Sauerstoff im Wurzelschutzgas ist bereits gut erforscht. Weitere Sauerstoffquellen für die Bildung von Anlauffarben sind Feuchte und CO2. Besonders Feuchte ist in diesem Zusammenhang kritisch, da sie sich wesentlich langsamer mit den etablierten Mitteln entfernen lässt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte für durch Feuchte verursachte Anlauffarben im Wurzelschutzgas ein Grenzwert von 300 ppm bei 23 °C ermittelt werden. Die Farbausprägung der durch Feuchte verursachten Anlauffarben tendiert besonders bei schwachen bis mittleren Ausprägungen (450-800 ppm) stärker ins Bräunliche als die durch molekularen Sauerstoff verursachten Anlauffarben. Mit Hilfe des an der TU Dresden entwickelten Algorithmus für die Auswahl von Gaskomponenten für Prozessgase, wurde für das gepulste WIG-Orbitalschweißverfahren von austenitischen CrNi-Stahlrohren das Gasgemisch Ar/He/H2 20/70/10 ausgewählt. Gegenüber dem ursprünglich als Prozessgas verwendeten Argon und einem Ar/He 70/30 Gemisch, zeigte sich eine mögliche Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit um den Faktor 3,5. Bei Fragen und Anmerkungen zur Arbeit sowie beim Verfassen einer weiterführenden Arbeit bitte Kontakt mit dem Autor aufnehmen (gerd.hauser@gmx.de). Dieser ist an einer Weiterführung des Themas sowie einer unabhängigen Überprüfung der Messwerte sehr interessiert.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 2 2.1 WIG-Schweißen 2 2.1.1 Gepulstes WIG-Schweißen 2 2.1.2 WIG-Orbitalschweißen 5 2.2 Schweißen von austenitischem CrNi-Stahl 7 2.2.1 Schweißtechnische Verarbeitung von austenitischem CrNi-Stahl 7 2.2.2 Schweißnahtunregelmäßigkeit: Anlauffarben 12 2.3 Prozess- und Wurzelschutzgase 17 2.3.1 Prozessgase 18 2.3.2 Wurzelschutzgase 21 2.4 Messung von Sauerstoff und Feuchte bei schweißtechnischen Anwendungen 23 3 Präzisierung der Aufgabenstellung 28 4 Analyse von Baustellenbedingungen und Maßnahmen auf Winterbaustellen 29 4.1 Beschreibung der Bedingungen 29 4.2 Beschreibung der Unregelmäßigkeiten 31 4.3 Bewertung der etablierten Maßnahmen 33 5 Versuchsplanung und Durchführung 35 5.1 Experimentelle Randbedingungen 35 5.1.1 Geräte, Messmittel und Software 35 5.1.2 Versuchswerkstoffe und Materialien 42 5.1.3 Schweißparameter 43 5.1.4 Auswertungsmethoden 44 5.2 Einfluss der Feuchte in Wurzelschutzgasen 47 5.2.1 Schweißversuche bei konstanten und wechselnden Temperaturen 47 5.2.2 Versuche zur Feuchteansammlung im Rohr 49 5.2.3 Versuch zur Bildung von Anlauffarben bei unterschiedlichen Feuchtekonzentrationen im Wurzelschutzgas 51 5.3 Einfluss der Prozessgaszusammensetzung für die Gasgemische Ar, Ar/He, Ar/He/H2 53 6 Auswertung der Versuchsergebnisse und Schlussfolgerungen 56 6.1 Anlauffarben auf Winterbaustellen 56 6.1.1 Einfluss der Außentemperatur auf den Schweißprozess 56 6.1.2 Einfluss von Feuchteansammlungen in Rohren 61 6.1.3 Einfluss von unterschiedlichen Feuchtekonzentrationen im Wurzelschutzgas 63 6.1.4 Schlussfolgerungen für die Anwendung in der Praxis 68 6.2 Einfluss der Prozessgaszusammensetzung beim WIG-Orbitalschweißen 74 6.2.1 Versuchsauswertung 74 6.2.2 Anwendung des Mischgases Ar/He/H2 in der Praxis 80 7 Zusammenfassung und Ausblick 81 8 Quellenverzeichnis 82 9 Verzeichnis der Abbildungen und Tabellen 87 10 Anlagenverzeichnis 92 / The formation of annealing colors by molecular oxygen in the backing gas is already well understood. Other sources of oxygen for the formation of annealing colors are humidity and CO2. Moisture is especially critical in this context, since they can be removed much more slowly with the established agents. As part of this work can be set a limit for annealing colors (caused by moisture in the root protection gas) of 300 ppm moisture with a environment temparatur of 23 ° C. The annealing colors caused by humidity tends especially in low to moderate conzentrtions (450-800 ppm) mor to a brownish than the annealing colors caused by molecular oxygen. Using the algorithm developed at the TU Dresden for the selection of gas components for process gases,the gas mixture Ar/He/H2 20/70/10 was chosen for the pulsed TIG orbital welding of austenitic stainless steel tubes. Compared to the originally used process gas argon and Ar/He-mixture 70/30, showed the Ar/He/H2 mixtur a possible increase in feed rate by a factor of 3.5.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 2 2.1 WIG-Schweißen 2 2.1.1 Gepulstes WIG-Schweißen 2 2.1.2 WIG-Orbitalschweißen 5 2.2 Schweißen von austenitischem CrNi-Stahl 7 2.2.1 Schweißtechnische Verarbeitung von austenitischem CrNi-Stahl 7 2.2.2 Schweißnahtunregelmäßigkeit: Anlauffarben 12 2.3 Prozess- und Wurzelschutzgase 17 2.3.1 Prozessgase 18 2.3.2 Wurzelschutzgase 21 2.4 Messung von Sauerstoff und Feuchte bei schweißtechnischen Anwendungen 23 3 Präzisierung der Aufgabenstellung 28 4 Analyse von Baustellenbedingungen und Maßnahmen auf Winterbaustellen 29 4.1 Beschreibung der Bedingungen 29 4.2 Beschreibung der Unregelmäßigkeiten 31 4.3 Bewertung der etablierten Maßnahmen 33 5 Versuchsplanung und Durchführung 35 5.1 Experimentelle Randbedingungen 35 5.1.1 Geräte, Messmittel und Software 35 5.1.2 Versuchswerkstoffe und Materialien 42 5.1.3 Schweißparameter 43 5.1.4 Auswertungsmethoden 44 5.2 Einfluss der Feuchte in Wurzelschutzgasen 47 5.2.1 Schweißversuche bei konstanten und wechselnden Temperaturen 47 5.2.2 Versuche zur Feuchteansammlung im Rohr 49 5.2.3 Versuch zur Bildung von Anlauffarben bei unterschiedlichen Feuchtekonzentrationen im Wurzelschutzgas 51 5.3 Einfluss der Prozessgaszusammensetzung für die Gasgemische Ar, Ar/He, Ar/He/H2 53 6 Auswertung der Versuchsergebnisse und Schlussfolgerungen 56 6.1 Anlauffarben auf Winterbaustellen 56 6.1.1 Einfluss der Außentemperatur auf den Schweißprozess 56 6.1.2 Einfluss von Feuchteansammlungen in Rohren 61 6.1.3 Einfluss von unterschiedlichen Feuchtekonzentrationen im Wurzelschutzgas 63 6.1.4 Schlussfolgerungen für die Anwendung in der Praxis 68 6.2 Einfluss der Prozessgaszusammensetzung beim WIG-Orbitalschweißen 74 6.2.1 Versuchsauswertung 74 6.2.2 Anwendung des Mischgases Ar/He/H2 in der Praxis 80 7 Zusammenfassung und Ausblick 81 8 Quellenverzeichnis 82 9 Verzeichnis der Abbildungen und Tabellen 87 10 Anlagenverzeichnis 92