SB_18.158NLP
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2017<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Mechanisch technologische<br />
Eigenschaften unterwassergeschweißter<br />
hochund<br />
höherfester Stähle
Mechanisch technologische<br />
Eigenschaften<br />
unterwassergeschweißter<br />
hoch- und höherfester Stähle<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 18.158 N<br />
DVS-Nr.: V4.010<br />
RWTH Aachen University Institut für<br />
Schweißtechnik und Fügetechnik<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.158 N / DVS-Nr.: V4.010 der Forschungsvereinigung Schweißen und<br />
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im<br />
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)<br />
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen<br />
Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2017 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 337<br />
Bestell-Nr.: 170446<br />
I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-336-7<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.158 N<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ....................................... 4<br />
2. Ausgangssituation und Stand der Forschung ...................................................................... 5<br />
3. Forschungsziel .................................................................................................................... 7<br />
4. Lösungsweg und Projektablauf............................................................................................ 7<br />
5. Ergebnisse ........................................................................................................................ 10<br />
5.1 Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff .......................................................................... 10<br />
5.2 Vorbereitung der Prüfstücke ....................................................................................... 11<br />
5.3 Tauchversuche ........................................................................................................... 12<br />
5.4 Röntgenprüfung und mechanische Probenausarbeitung ............................................ 13<br />
5.5 Bestimmung mechanisch-technologischer Kennwerte ................................................ 15<br />
5.5.1 Zugversuch (Querzugproben und Referenz-Flachzugproben) ............................. 15<br />
5.5.2 Kerbschlagbiegeversuche ................................................................................... 18<br />
5.5.3 Auffällige Rissausbildungen an unter Praxisbedingungen geschweißten Proben 26<br />
5.5.4 Gefügeausbildung und Härteverlauf an Doppelnahtproben ................................. 28<br />
5.5.5 Härteverlauf der WEZ von Mehrlagenschweißungen .......................................... 32<br />
5.5.6 Einfluss der Schweißstromstärke auf den Härteverlauf ....................................... 34<br />
5.5.7 Einfluss der Schweißstromstärke auf Nahtgeometrie und WEZ ........................... 36<br />
5.6 Laborversuche ........................................................................................................... 37<br />
5.6.1 Einflussfaktoren auf die wasserstoffinduzierte Rissbildung .................................. 41<br />
5.6.2 Untersuchung des Zeitpunktes des Auftretens wasserstoffinduzierter Rissbildung<br />
42<br />
5.6.3 Einfluss der Schweißstromstärke auf die Wasserstoffeinbringung ....................... 44<br />
5.6.4 Induktive Wärmebehandlung ............................................................................... 49<br />
5.6.5 Vorversuche zum induktiven Bauteilvorwärmen unter Wasser ............................ 50<br />
5.6.6 Vorwärmen einer nass unterwassergeschweißten Naht ...................................... 51<br />
5.6.7 Temperaturmessung in einer induktiv nachgewärmten Auftragnaht .................... 52<br />
5.6.8 Strategien zur induktiven Wärmenachbehandlung .............................................. 53<br />
5.6.9 Einfluss der Wärmenachbehandlung auf die Gefügeausbildung .......................... 56<br />
5.6.10 Einfluss der Wärmenachbehandlung auf die Härteverläufe im Schweißgut und der<br />
Wärmeeinflusszone ........................................................................................................... 58<br />
5.6.11 Einfluss der Wärmenachbehandlung auf die Wasserstoffeffusion ....................... 60<br />
6. Zusammenfassung ............................................................................................................ 63<br />
7. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen ...... 65<br />
8. Verwendung der Zuwendung ............................................................................................ 67
Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.158 N<br />
8.1 Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1 des Finanzierungsplans) .. 68<br />
8.2 Geräte (Einzelansatz B des Finanzierungsplans) ....................................................... 68<br />
8.3 Leistungen Dritter (Einzelansatz C des Finanzierungsplans) ...................................... 68<br />
9. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ............................................... 68<br />
10. Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten<br />
Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrages und ihrer industriellen<br />
Anwendungs-möglichkeiten ...................................................................................................... 69<br />
11. Ergebnistransfer in die Wirtschaft .................................................................................. 70<br />
11.1 Ergebnistransferplan .................................................................................................. 70<br />
11.2 Einschätzung der Realisierbarkeit .............................................................................. 71<br />
12. Danksagung .................................................................................................................. 72<br />
13. Durchführende Forschungsstelle ................................................................................... 72<br />
14. Literaturverzeichnis ........................................................................................................ 73
Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.158 N<br />
1. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche<br />
Problemstellung<br />
Um den deutschen Verpflichtungen zum Klimaschutz nachzukommen und den Anteil an den EU-<br />
Ausbauzielen für erneuerbare Energien realistisch zu erfüllen, hat die Bundesregierung<br />
entsprechende Ziele im Erneuerbare Energie Gesetz (EEG) festgelegt. Diese Ziele haben eine<br />
zentrale Bedeutung im Hinblick auf den Klima- und Umweltschutz und den Aufbau einer<br />
nachhaltigen Energieversorgung. Ziel dieses EEG (Stand 17. Juli 2017) ist es, den Anteil des aus<br />
erneuerbaren Energien erzeugten Stroms am Bruttostromverbrauch zu steigern auf 40 bis 45<br />
Prozent bis zum Jahr 2025, auf 55 bis 60 Prozent bis zum Jahr 2035 und auf mindestens 80<br />
Prozent bis zum Jahr 2050. Die gesteckten Ziele sollen nach § 4 u. a. durch einen Ausbau der<br />
Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) erreicht werden. Geplant ist eine Steigerung der<br />
installierten Leistung von Windenergieanlagen auf See auf 6.500 Megawatt im Jahr 2020 und<br />
15.000 Megawatt im Jahr 2030. [1]<br />
Über den aktuellen Status des Ausbaus der Offshore-Windkraftanlagen berichtet die WindGuard<br />
GmbH in ihren halbjährlich erscheinenden Factsheets. Die zuletzt erschienene Auflage vom<br />
30.06.2017 für das 1. Halbjahr 2017 berichtet über 1.055 Anlagen mit Netzeinspeisung in<br />
Deutschland mit einer Gesamtleistung von 4.748,9 MW, 54 fertig installierten OWEA (295,8 MW)<br />
von denen noch keine Netzeinspeisung erfolgt und 126 errichteten Fundamenten, die für die<br />
Installation von OWEA vorbereitet wurden. Die Gründungsstrukturen der in der deutschen Nordund<br />
Ostsee gebauten OWEAs werden im Meeresboden verankert. Die bis Juni 2017 installierten<br />
OWEA stehen im Durchschnitt in ca. 29 m tiefem Wasser mit einer mittleren Küstenentfernung<br />
von 65 km, in weiteren Ausbaustufen wird sich die Küstenentfernung auf bis zu 120 km und die<br />
Wassertiefe auf bis zu 40 m erhöhen. Die Gründungsstrukturen können dabei in<br />
unterschiedlichen Bauformen ausgeführt werden. Von den insgesamt 1.235 installierten<br />
Fundamenten wurden 70% in Monopile-Bauform, 13% als Jackets, 10% als Tripods und 6% als<br />
Tripiles ausgeführt. In den letzten Jahren (seit 2015) wurden jedoch ausschließlich nur noch<br />
Monopiles und Jackets errichtet. [2]<br />
Neben den dynamischen Belastungen durch die Drehung des Windrades und der Einwirkung des<br />
Windes auf den Turm sind diese Gründungsstrukturen zusätzlich durch den Wellengang und die<br />
Tide belastet. Für die Herstellung werden entsprechend umfangreiche Schweißungen<br />
durchgeführt, z.B. werden bis zu 1.230 m Schweißnaht für die Errichtung eines Tripods benötigt.<br />
Als Werkstoffe werden S355 und auch S460 eingesetzt. Die Fertigung solcher Anlagen geschieht<br />
in der Regel an Land. Im Falle der Reparatur ist jedoch zu erwarten, dass an diesen Strukturen<br />
am Aufstellort auch unter Wasser geschweißt werden muss. Für die Stahlgruppe der hoch- und<br />
höherfester Stähle mit aktuellen Legierungskonzepten lagen bisher jedoch keine belastbaren<br />
wissenschaftlichen Untersuchungen zu den mechanisch-technolgischen Eigenschaften nass<br />
unterwassergeschweißter Verbindungen vor. Bisher ist für den Reparaturfall das erheblich<br />
aufwendigere und deutlich teurere hyperbare trockene Unterwasserschweißen vorgesehen.<br />
Ähnliche Problemstellungen zeigen sich auch bei Stahlwasserbauten und vor allem<br />
Spundwandkonstruktionen, die ebenfalls aus hochfesten Werkstoffen gefertigt werden.<br />
Mit dem Ausbau der Offshore-Windenergieanlagen wächst auf Grund der an Land vorgefertigten<br />
Komponenten auch der Ausbaubedarf deutscher Seehäfen. Aber nicht nur der Offshore-Bereich,<br />
sondern auch die Binnenwasserstraßen erfordern eine stetige Instandhaltung und Verbesserung<br />
durch Ausbaumaßnahmen, um den sich verändernden Anforderungen gerecht zu werden [3]. Die
Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.158 N<br />
Gesamtlänge der deutschen Bundeswasserstraßen beträgt 7.476 km [4]. Diese Wasserstraßen<br />
enthalten eine Vielzahl an benötigten Wasserbauwerken und -anlagen (z.B. Schleusen,<br />
Wehranlagen, etc.) [5]. Diese befinden sich auf Grund ihres Alters zum Teil nicht mehr in<br />
ausreichendem Zustand, so dass in den nächsten Jahren ein enormer Sanierungsbedarf besteht.<br />
So sind z.B. über ein Drittel aller Schleusenanlagen betroffen [6]. Bei der Erhaltung und beim<br />
Ausbau von Wasserstraßen kommt den Spundwänden als Bauelement eine wichtige Funktion<br />
zu. Sie werden verwendet für Kaimauern, Schleusenwände, Ufereinfassungen, Kanäle, Molen<br />
und Hafenbecken oder auch für den Hochwasserschutz [7].<br />
Spundwände wurden in der Vergangenheit größtenteils aus Baustahl der Güten S235GP,<br />
S275GP, S355GP gefertigt. Für höhere Beanspruchungen bei gleichzeitiger Beibehaltung des<br />
Handlinggewichtes oder Verringerung des Selben stehen heute auch Spundwände aus<br />
hochfesten Feinkornbaustählen (S430GP, S460GP) zur Verfügung. Hieran müssen sowohl bei<br />
nachträglichen Montagearbeiten, als auch im Schadensfall (z.B. bei Schlosssprüngen oder<br />
Rammschäden durch Schiffe) im Unterwasserbereich Schweißarbeiten durchgeführt werden.<br />
Folglich besteht ein großer Bedarf an einem robusten und kostengünstigen, nassen<br />
Unterwasserschweißverfahren, das auch für den Einsatz an hochfesten Feinkornbaustählen<br />
geeignet ist.<br />
2. Ausgangssituation und Stand der Forschung<br />
Das Schweißen unter Wasser wird unterschieden in das Schweißen in trockener hyperbarer<br />
Umgebung und nassem Unterwasserschweißen. Beim hyperbaren Schweißen finden die<br />
Arbeiten in einer geeigneten Kammer statt, welche die Schweißstelle umgibt, und mit deren Hilfe<br />
an der Arbeitsstelle trockene Verhältnisse hergestellt werden können. Die Kammer und damit<br />
auch die Schweißstelle stehen unter dem durch die jeweilige Wassertiefe hervorgerufenen<br />
Umgebungsdruck. Die Druckverhältnisse und die in dieser Umgebung immer vorhandene<br />
Feuchtigkeit erschweren hier im Vergleich zu Schweißungen unter Normalbedingungen die<br />
Arbeiten. Mit Hilfe des trockenen hyperbaren Schweißens lassen sich qualitativ hochwertige<br />
Verbindungen erzeugen, die mit denen unter Normalbedingungen vergleichbar sind. Dem Einsatz<br />
des Verfahrens sind jedoch durch den hohen Kosten- und Zeitaufwand Grenzen gesetzt, welche<br />
durch den Aufbau und Betrieb der Kammer hervorgerufen werden. Diese Vorgehensweise stellt<br />
aber in größeren Wassertiefen die einzige Möglichkeit dar, qualitativ hochwertige Verbindungen<br />
zu erzeugen. Aufgrund der steigenden Zahl der reparaturbedürftigen Offshore- Konstruktionen<br />
bzw. Stahlwasserbauten und den einhergehenden Zwang die Kosten herabzusetzen, gewinnt<br />
das nasse Unterwasserschweißen infolge seiner Flexibilität und raschen Verfügbarkeit bei<br />
verhältnismäßig geringen Investitionskosten zunehmend an Bedeutung. Das nasse hyperbare<br />
Schweißen wird direkt an der vom Wasser umspülten Arbeitsstelle durchgeführt. [8]<br />
Dem hierbei gewonnenen Kostenvorteil durch Wegfall der Kammer stehen jedoch auch Nachteile<br />
gegenüber, welche insbesondere aus den gegebenen Randbedingungen der nassen Umgebung<br />
resultieren. Dies sind insbesondere die durch Wasser und Druck veränderten Verhältnisse bei<br />
der Lichtbogenausbildung, der Wasserstoffaufnahme und den Abkühlbedingungen, welchen<br />
durch eine angepasste Konstruktion und Prozessführung Rechnung getragen werden muss. Aber<br />
auch die Behinderungen des Schweißers durch die notwendige Tauchausrüstung und die häufig<br />
schlechte Sicht und Strömungsverhältnisse an der Arbeitsstelle sind einschränkende<br />
Randbedingungen, die das Schweißergebnis mittelbar beeinflussen können. [9]
Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.158 N<br />
Als Schweißverfahren wird üblicherweise das manuelle Schweißen mit speziell dafür<br />
entwickelten, umhüllten Stabelektroden eingesetzt [10]. Das Schweißen in nasser Umgebung<br />
erfolgt unter direktem Einfluss des Wassers auf den Lichtbogen, wobei das Wasser in Wasserstoff<br />
und Sauerstoff dissoziiert wird. Im Vergleich zum atmosphärischen Schweißen, bei dem der<br />
Wasserstoffanteil in der Umgebung bei ca. 2% liegt, liegt er beim hyperbaren Nassschweißen bei<br />
62-82% [11]. Dabei dringt der Wasserstoff in das Schweißgut und die WEZ (besonders stark in<br />
der PD-Position) ein und der dabei freiwerdende Sauerstoff sorgt für einen Abbrand an<br />
Legierungselementen. Dieses wirkt sich negativ auf die Schweißgutqualität aus. Da diese durch<br />
das Wasser hervorgerufene Beeinflussung unvermeidbar und für diesen Schweißprozess typisch<br />
ist, können nur gezielte Maßnahmen in der Werkstoffzusammensetzung und der Prozessführung<br />
eine Verbesserung der Schweißgutqualität bewirken. [12]<br />
Der aktuelle Stand der Technik und die Voraussetzungen für die fachgerechte Ausführung von<br />
nassen Unterwasserschweißarbeiten sind in [13] und [14] zusammengestellt. Eine<br />
Grundvoraussetzung für eine fachgerechte Unterwassernassschweißung ist die Auswahl und der<br />
Einsatz einer qualifizierten Taucherfirma mit entsprechend geschulten, gewerblichen Tauchern.<br />
Dazu kommt die Verwendung der entsprechend qualifizierten Werkstoffe und Zusatzwerkstoffe.<br />
Als Zusatzwerkstoffe für das nasse Unterwasserschweißen mit der Stabelektrode sollen<br />
Elektroden mit 3,2 mm Durchmesser zum Einsatz kommen (bessere Nahtqualität durch<br />
schmalere Raupen und weniger Wasserstoffeintrag als bei dickeren Elektroden), deren<br />
Umhüllung durch spezielle Lacke vor der Aufnahme von Feuchtigkeit geschützt wird. Begründet<br />
wird dieses auch mit der mit dieser Elektrode für typische a-Maße erforderlichen<br />
Mehrlagentechnik, bei der das nachfolgende Überschweißen eine Art Wärmenachbehandlung<br />
des Schweißgutes darstellt. So können ein hoher Wasserstoffanteil, eine hohe Härte und<br />
schlechte Schweißgutwerte (Duktilität, Kerbschlagzähigkeit oder Sprödbrüchigkeit) verringert,<br />
bzw. verbessert werden. Gegenüber der Strichraupentechnik stehen bei dieser sogenannten<br />
Temper Bead Technik der verbesserten Nahtqualität jedoch bis zu 5fach höhere Kosten<br />
entgegen. Die Elektroden sollen so zusammengesetzt sein, dass sie dem verstärkten<br />
Legierungsabbrand infolge der steigenden Wassertiefe, dem hohen Wasserstoff- und<br />
Sauerstoffangebot um den Lichtbogen und das Schweißgut sowie den rapiden<br />
Abkühlbedingungen durch das umgebende Wasser Rechnung tragen [15].<br />
Die zulässige Werkstoffauswahl wird in der Regel über die chemische Zusammensetzung<br />
angegeben. So beschränkt [16] die Anwendung der „Nautica 20“, welche heute eine<br />
gebräuchliche Stabelektrode für Arbeiten bis 20m Wassertiefe ist, auf „normale Baustähle“ mit<br />
einem Kohlenstoffäquivalent CE ≤ 0,4% und einem Kohlenstoffgehalt C ≤ 0,15%. Höherfeste<br />
Baustähle sollen nicht mit dieser Elektrode verschweißt werden. Als Grund für die<br />
Einschränkungen wird wasserstoffinduzierte Rissbildung angegeben.<br />
[13] und [17] beschreiben die über die Mehrlagentechnik hinausgehende Methode der Temper-<br />
Bead-Technik, welche die Gefahr der Entstehung wasserstoffinduzierter Risse bei Stählen mit<br />
einem mit einem Kohlenstoffäquivalent von CEV > 0,4% verringert. Dabei wird die gerade mit<br />
normaler Schweißgeschwindigkeit gelegte Schweißraupe, für die die erste Hälfte der<br />
Stabelektrode verbraucht wird, nach Entfernung der Schlacke unmittelbar innerhalb von 60<br />
Sekunden danach mit der zweiten Hälfte dünn überschweißt. Es ist darauf zu achten, dass die<br />
zweite Raupe nicht mit dem Grundwerkstoff in Berührung kommt, um erneuten<br />
Wasserstoffeintrag in die neue WEZ zu vermeiden.