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Main Title: Umweltbewertung und Ökoeffizienz beim Metall-Schutzgasschweißen von Dickblechverbindungen
Translated Title: Eco-efficiency and environmental assessment of gas metal arc welding of thick metal plates
Author(s): Sproesser, Gunther Theodor
Advisor(s): Rethmeier, Michael
Referee(s): Rethmeier, Michael
Dilger, Klaus
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: The present thesis analyzes the environmental impacts of Gas Metal Arc Welding (GMAW) of thick metal plates. This is done by characterizing the process-specific energy consumption and Life Cycle Assessments (LCA). Furthermore, the effect of both energy efficiency and joint preparation on eco-efficiency is evaluated. The experiments are conducted with single wire GMAW and tandem GMAW processes. The energy consumption of GMAW is characterized by evaluating various material transfer modes with the indicators Electrical Deposition Efficiency (EDE) and the wall-plug efficiency of the welding power source. The results for the wall-plug efficiency show values between 80% and 85% independent of the applied process. In single wire GMAW, the EDE depends on the material transfer mode and the setup of the welding power source characteristic. Under optimum conditions, the pulsed arc transfer achieves the highest energy efficiency. In tandem GMAW, the modified dip transfer and the pulsed arc transfer without synchronization show the highest EDE values. In contrast to single wire GMAW, tandem GMAW reaches significantly higher energy efficiency values. The influences of energy efficiency and the joint preparation on the environmental impacts are investigated by means of LCA studies for weld seams produced by single wire and tandem GMAW. The eco-efficiency is evaluated by comparing the mechanical properties as well as the environmental impacts of the weld seams. In the experiments with regard to the influence of energy efficiency, the high EDE of tandem GMAW reduces the electrical energy consumption by 24% compared to single wire GMAW. This leads to reduced environmental impacts, which are mainly dominated by the electrical energy for welding and by the filler material. The weld seams of both process variants – single wire and tandem GMAW – fulfill the requirements of the welding procedure test and produce weld seams with an equivalent quality. The eco-efficiency is enhanced up to 11% by application of an energy efficient tandem GMAW process. The investigation concerning the influence of the joint preparation adopts different groove geometries for single wire and tandem GMAW. For tandem GMAW, the opening angle is reduced which leads to 35% less filler material consumption. The impact assessment reveals a significant decline of the environmental impacts by the altered joint preparation. Besides the electrical energy for welding and the filler material, the electrical energy for milling the joint preparation accounts for major shares of the environmental impacts. In the welding procedure test, the weld seams of both process variants fulfill the quality requirements. In total, the varied joint preparation results in an increased eco-efficiency of up to 38%. In order to make a comparison between the influences of energy efficiency and joint preparation, the results of the eco-efficiency studies are normalized. The joint preparation shows a significantly higher normalized eco-efficiency increase than energy efficiency. Consequently, the following suggestions for eco-efficient GMAW are derived: The cross-section area of the weld seam which is controlled by the joint preparation should be kept as small as possible. In case this is not possible, a high EDE of the process should be pursued.
Die vorliegende Arbeit analysiert die Umweltwirkungen beim MSG-Schweißen von Dickblechverbindungen. Sie charakterisiert den Energiebedarf, erstellt Ökobilanzen und bewertet den Einfluss von Energieeffizienz und Fugenvorbereitung auf die Ökoeffizienz. Die Experimente werden mit MSG-Verfahren im Eindraht- und im Tandembetrieb durchgeführt. Der Energiebedarf wird über die Kennzahlen Abschmelzeffizienz und Anlagenwirkungsgrad für verschiedene Betriebs- und Lichtbogenarten charakterisiert. Der Anlagenwirkungsgrad der Schweißstromquellen beträgt einheitlich 80-85%. Im Eindrahtbetrieb zeigen die Abschmelzeffizienzen des Impulslichtbogens, des Sprühlichtbogens und des modifizierten Sprühlichtbogens eine Abhängigkeit sowohl von der Lichtbogenart als auch von der Kennlinieneinstellung. Unter der Voraussetzung optimaler Einstellungen erreicht der Impulslichtbogen die höchste Energieeffizienz. Die höchsten Abschmelzeffizienzen im Tandembetrieb erzielen modifizierte Kurzlichtbögen und asynchron gesteuerte Impulslichtbögen. Im Vergleich zum Eindrahtschweißen haben die Tandemprozesse eine deutlich höhere Energieeffizienz. Zur Einflussanalyse energieeffizienter Schweißprozesse und der Fugenvorbereitung werden Ökobilanzen für Schweißnähte mit Eindraht und Tandemverfahren erstellt. Zur Bewertung der Ökoeffizienz werden die mechanisch-technologischen Eigenschaften und die Umweltwirkungen der Verfahrensvarianten verglichen. In den Experimenten zum Einfluss der Energieeffizienz wird beim Tandemschweißen durch die höhere Abschmelzeffizienz der Bedarf an elektrischer Energie um 24% gegenüber der Eindrahtvariante gesenkt. In der Wirkungsabschätzung führt dies zu geringeren Umweltwirkungen, welche maßgeblich von der elektrischen Energie für das Schweißen und dem Zusatzwerkstoff bestimmt sind. Die Schweißnähte beider Verfahrensvarianten bestehen die mechanisch-technologische Prüfung und können als gleichwertig betrachtet werden. Die Ökoeffizienzsteigerung durch die erhöhte Energieeffizienz des Tandemverfahrens beträgt bis zu 11%. Für den Einfluss der Fugenvorbereitung wird der Öffnungswinkel beim Tandemschweißen variiert und so der Zusatzwerkstoffbedarf um 35% gesenkt. Dies führt in der Wirkungsabschätzung zu erheblich geringeren Umweltwirkungen. Neben der elektrischen Energie für das Schweißen und dem Zusatzwerkstoff hat die elektrische Energie für das Fräsen der Fugenvorbereitung einen dominanten Einfluss auf die Umweltwirkungen. In der mechanisch-technologischen Prüfung erfüllen die Schweißnähte beider Verfahrensvarianten die Anforderungen. Die Ökoeffizienzsteigerung durch Variation der Fugenvorbereitung beträgt bis zu 38%. Zum Vergleich der Einflüsse von Energieeffizienz und Fugenvorbereitung werden die Ökoeffizienzsteigerungen normiert. Aus der erheblich größeren normierten Ökoeffizienzsteigerung der Fugenvorbereitung folgen die Handlungsempfehlungen für ein ökologieorientiertes MSGSchweißen: Der von der Fugenvorbereitung vorgegebene Schweißnahtquerschnitt ist so klein wie möglich zu gestalten. Ist dies nicht möglich, sollte eine möglichst hohe Abschmelzeffizienz angestrebt werden.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6235
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5794
Exam Date: 19-Jan-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 15-Mar-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Metall-Schutzgasschweißen
Ökobilanz
Ökoeffizienz
Hochleistungsschweißen
Energieeffizienz
gas metal arc welding
life cycle assessment
eco efficiency
high power welding
energy efficiency
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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