SB_18.158NLP

2017
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Mechanisch technologische
Eigenschaften unterwassergeschweißter
hochund
höherfester Stähle

Mechanisch technologische
Eigenschaften
unterwassergeschweißter
hoch- und höherfester Stähle
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 18.158 N
DVS-Nr.: V4.010
RWTH Aachen University Institut für
Schweißtechnik und Fügetechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.158 N / DVS-Nr.: V4.010 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2017 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 337
Bestell-Nr.: 170446
ISBN: 978-3-96870-336-7
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.158 N
Inhaltsverzeichnis
1. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ....................................... 4
2. Ausgangssituation und Stand der Forschung ...................................................................... 5
3. Forschungsziel .................................................................................................................... 7
4. Lösungsweg und Projektablauf............................................................................................ 7
5. Ergebnisse ........................................................................................................................ 10
5.1 Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff .......................................................................... 10
5.2 Vorbereitung der Prüfstücke ....................................................................................... 11
5.3 Tauchversuche ........................................................................................................... 12
5.4 Röntgenprüfung und mechanische Probenausarbeitung ............................................ 13
5.5 Bestimmung mechanisch-technologischer Kennwerte ................................................ 15
5.5.1 Zugversuch (Querzugproben und Referenz-Flachzugproben) ............................. 15
5.5.2 Kerbschlagbiegeversuche ................................................................................... 18
5.5.3 Auffällige Rissausbildungen an unter Praxisbedingungen geschweißten Proben 26
5.5.4 Gefügeausbildung und Härteverlauf an Doppelnahtproben ................................. 28
5.5.5 Härteverlauf der WEZ von Mehrlagenschweißungen .......................................... 32
5.5.6 Einfluss der Schweißstromstärke auf den Härteverlauf ....................................... 34
5.5.7 Einfluss der Schweißstromstärke auf Nahtgeometrie und WEZ ........................... 36
5.6 Laborversuche ........................................................................................................... 37
5.6.1 Einflussfaktoren auf die wasserstoffinduzierte Rissbildung .................................. 41
5.6.2 Untersuchung des Zeitpunktes des Auftretens wasserstoffinduzierter Rissbildung
42
5.6.3 Einfluss der Schweißstromstärke auf die Wasserstoffeinbringung ....................... 44
5.6.4 Induktive Wärmebehandlung ............................................................................... 49
5.6.5 Vorversuche zum induktiven Bauteilvorwärmen unter Wasser ............................ 50
5.6.6 Vorwärmen einer nass unterwassergeschweißten Naht ...................................... 51
5.6.7 Temperaturmessung in einer induktiv nachgewärmten Auftragnaht .................... 52
5.6.8 Strategien zur induktiven Wärmenachbehandlung .............................................. 53
5.6.9 Einfluss der Wärmenachbehandlung auf die Gefügeausbildung .......................... 56
5.6.10 Einfluss der Wärmenachbehandlung auf die Härteverläufe im Schweißgut und der
Wärmeeinflusszone ........................................................................................................... 58
5.6.11 Einfluss der Wärmenachbehandlung auf die Wasserstoffeffusion ....................... 60
6. Zusammenfassung ............................................................................................................ 63
7. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen ...... 65
8. Verwendung der Zuwendung ............................................................................................ 67

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.158 N
8.1 Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1 des Finanzierungsplans) .. 68
8.2 Geräte (Einzelansatz B des Finanzierungsplans) ....................................................... 68
8.3 Leistungen Dritter (Einzelansatz C des Finanzierungsplans) ...................................... 68
9. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ............................................... 68
10. Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten
Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrages und ihrer industriellen
Anwendungs-möglichkeiten ...................................................................................................... 69
11. Ergebnistransfer in die Wirtschaft .................................................................................. 70
11.1 Ergebnistransferplan .................................................................................................. 70
11.2 Einschätzung der Realisierbarkeit .............................................................................. 71
12. Danksagung .................................................................................................................. 72
13. Durchführende Forschungsstelle ................................................................................... 72
14. Literaturverzeichnis ........................................................................................................ 73

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.158 N
1. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche
Problemstellung
Um den deutschen Verpflichtungen zum Klimaschutz nachzukommen und den Anteil an den EU-
Ausbauzielen für erneuerbare Energien realistisch zu erfüllen, hat die Bundesregierung
entsprechende Ziele im Erneuerbare Energie Gesetz (EEG) festgelegt. Diese Ziele haben eine
zentrale Bedeutung im Hinblick auf den Klima- und Umweltschutz und den Aufbau einer
nachhaltigen Energieversorgung. Ziel dieses EEG (Stand 17. Juli 2017) ist es, den Anteil des aus
erneuerbaren Energien erzeugten Stroms am Bruttostromverbrauch zu steigern auf 40 bis 45
Prozent bis zum Jahr 2025, auf 55 bis 60 Prozent bis zum Jahr 2035 und auf mindestens 80
Prozent bis zum Jahr 2050. Die gesteckten Ziele sollen nach § 4 u. a. durch einen Ausbau der
Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) erreicht werden. Geplant ist eine Steigerung der
installierten Leistung von Windenergieanlagen auf See auf 6.500 Megawatt im Jahr 2020 und
15.000 Megawatt im Jahr 2030. [1]
Über den aktuellen Status des Ausbaus der Offshore-Windkraftanlagen berichtet die WindGuard
GmbH in ihren halbjährlich erscheinenden Factsheets. Die zuletzt erschienene Auflage vom
30.06.2017 für das 1. Halbjahr 2017 berichtet über 1.055 Anlagen mit Netzeinspeisung in
Deutschland mit einer Gesamtleistung von 4.748,9 MW, 54 fertig installierten OWEA (295,8 MW)
von denen noch keine Netzeinspeisung erfolgt und 126 errichteten Fundamenten, die für die
Installation von OWEA vorbereitet wurden. Die Gründungsstrukturen der in der deutschen Nordund
Ostsee gebauten OWEAs werden im Meeresboden verankert. Die bis Juni 2017 installierten
OWEA stehen im Durchschnitt in ca. 29 m tiefem Wasser mit einer mittleren Küstenentfernung
von 65 km, in weiteren Ausbaustufen wird sich die Küstenentfernung auf bis zu 120 km und die
Wassertiefe auf bis zu 40 m erhöhen. Die Gründungsstrukturen können dabei in
unterschiedlichen Bauformen ausgeführt werden. Von den insgesamt 1.235 installierten
Fundamenten wurden 70% in Monopile-Bauform, 13% als Jackets, 10% als Tripods und 6% als
Tripiles ausgeführt. In den letzten Jahren (seit 2015) wurden jedoch ausschließlich nur noch
Monopiles und Jackets errichtet. [2]
Neben den dynamischen Belastungen durch die Drehung des Windrades und der Einwirkung des
Windes auf den Turm sind diese Gründungsstrukturen zusätzlich durch den Wellengang und die
Tide belastet. Für die Herstellung werden entsprechend umfangreiche Schweißungen
durchgeführt, z.B. werden bis zu 1.230 m Schweißnaht für die Errichtung eines Tripods benötigt.
Als Werkstoffe werden S355 und auch S460 eingesetzt. Die Fertigung solcher Anlagen geschieht
in der Regel an Land. Im Falle der Reparatur ist jedoch zu erwarten, dass an diesen Strukturen
am Aufstellort auch unter Wasser geschweißt werden muss. Für die Stahlgruppe der hoch- und
höherfester Stähle mit aktuellen Legierungskonzepten lagen bisher jedoch keine belastbaren
wissenschaftlichen Untersuchungen zu den mechanisch-technolgischen Eigenschaften nass
unterwassergeschweißter Verbindungen vor. Bisher ist für den Reparaturfall das erheblich
aufwendigere und deutlich teurere hyperbare trockene Unterwasserschweißen vorgesehen.
Ähnliche Problemstellungen zeigen sich auch bei Stahlwasserbauten und vor allem
Spundwandkonstruktionen, die ebenfalls aus hochfesten Werkstoffen gefertigt werden.
Mit dem Ausbau der Offshore-Windenergieanlagen wächst auf Grund der an Land vorgefertigten
Komponenten auch der Ausbaubedarf deutscher Seehäfen. Aber nicht nur der Offshore-Bereich,
sondern auch die Binnenwasserstraßen erfordern eine stetige Instandhaltung und Verbesserung
durch Ausbaumaßnahmen, um den sich verändernden Anforderungen gerecht zu werden [3]. Die

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.158 N
Gesamtlänge der deutschen Bundeswasserstraßen beträgt 7.476 km [4]. Diese Wasserstraßen
enthalten eine Vielzahl an benötigten Wasserbauwerken und -anlagen (z.B. Schleusen,
Wehranlagen, etc.) [5]. Diese befinden sich auf Grund ihres Alters zum Teil nicht mehr in
ausreichendem Zustand, so dass in den nächsten Jahren ein enormer Sanierungsbedarf besteht.
So sind z.B. über ein Drittel aller Schleusenanlagen betroffen [6]. Bei der Erhaltung und beim
Ausbau von Wasserstraßen kommt den Spundwänden als Bauelement eine wichtige Funktion
zu. Sie werden verwendet für Kaimauern, Schleusenwände, Ufereinfassungen, Kanäle, Molen
und Hafenbecken oder auch für den Hochwasserschutz [7].
Spundwände wurden in der Vergangenheit größtenteils aus Baustahl der Güten S235GP,
S275GP, S355GP gefertigt. Für höhere Beanspruchungen bei gleichzeitiger Beibehaltung des
Handlinggewichtes oder Verringerung des Selben stehen heute auch Spundwände aus
hochfesten Feinkornbaustählen (S430GP, S460GP) zur Verfügung. Hieran müssen sowohl bei
nachträglichen Montagearbeiten, als auch im Schadensfall (z.B. bei Schlosssprüngen oder
Rammschäden durch Schiffe) im Unterwasserbereich Schweißarbeiten durchgeführt werden.
Folglich besteht ein großer Bedarf an einem robusten und kostengünstigen, nassen
Unterwasserschweißverfahren, das auch für den Einsatz an hochfesten Feinkornbaustählen
geeignet ist.
2. Ausgangssituation und Stand der Forschung
Das Schweißen unter Wasser wird unterschieden in das Schweißen in trockener hyperbarer
Umgebung und nassem Unterwasserschweißen. Beim hyperbaren Schweißen finden die
Arbeiten in einer geeigneten Kammer statt, welche die Schweißstelle umgibt, und mit deren Hilfe
an der Arbeitsstelle trockene Verhältnisse hergestellt werden können. Die Kammer und damit
auch die Schweißstelle stehen unter dem durch die jeweilige Wassertiefe hervorgerufenen
Umgebungsdruck. Die Druckverhältnisse und die in dieser Umgebung immer vorhandene
Feuchtigkeit erschweren hier im Vergleich zu Schweißungen unter Normalbedingungen die
Arbeiten. Mit Hilfe des trockenen hyperbaren Schweißens lassen sich qualitativ hochwertige
Verbindungen erzeugen, die mit denen unter Normalbedingungen vergleichbar sind. Dem Einsatz
des Verfahrens sind jedoch durch den hohen Kosten- und Zeitaufwand Grenzen gesetzt, welche
durch den Aufbau und Betrieb der Kammer hervorgerufen werden. Diese Vorgehensweise stellt
aber in größeren Wassertiefen die einzige Möglichkeit dar, qualitativ hochwertige Verbindungen
zu erzeugen. Aufgrund der steigenden Zahl der reparaturbedürftigen Offshore- Konstruktionen
bzw. Stahlwasserbauten und den einhergehenden Zwang die Kosten herabzusetzen, gewinnt
das nasse Unterwasserschweißen infolge seiner Flexibilität und raschen Verfügbarkeit bei
verhältnismäßig geringen Investitionskosten zunehmend an Bedeutung. Das nasse hyperbare
Schweißen wird direkt an der vom Wasser umspülten Arbeitsstelle durchgeführt. [8]
Dem hierbei gewonnenen Kostenvorteil durch Wegfall der Kammer stehen jedoch auch Nachteile
gegenüber, welche insbesondere aus den gegebenen Randbedingungen der nassen Umgebung
resultieren. Dies sind insbesondere die durch Wasser und Druck veränderten Verhältnisse bei
der Lichtbogenausbildung, der Wasserstoffaufnahme und den Abkühlbedingungen, welchen
durch eine angepasste Konstruktion und Prozessführung Rechnung getragen werden muss. Aber
auch die Behinderungen des Schweißers durch die notwendige Tauchausrüstung und die häufig
schlechte Sicht und Strömungsverhältnisse an der Arbeitsstelle sind einschränkende
Randbedingungen, die das Schweißergebnis mittelbar beeinflussen können. [9]

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.158 N
Als Schweißverfahren wird üblicherweise das manuelle Schweißen mit speziell dafür
entwickelten, umhüllten Stabelektroden eingesetzt [10]. Das Schweißen in nasser Umgebung
erfolgt unter direktem Einfluss des Wassers auf den Lichtbogen, wobei das Wasser in Wasserstoff
und Sauerstoff dissoziiert wird. Im Vergleich zum atmosphärischen Schweißen, bei dem der
Wasserstoffanteil in der Umgebung bei ca. 2% liegt, liegt er beim hyperbaren Nassschweißen bei
62-82% [11]. Dabei dringt der Wasserstoff in das Schweißgut und die WEZ (besonders stark in
der PD-Position) ein und der dabei freiwerdende Sauerstoff sorgt für einen Abbrand an
Legierungselementen. Dieses wirkt sich negativ auf die Schweißgutqualität aus. Da diese durch
das Wasser hervorgerufene Beeinflussung unvermeidbar und für diesen Schweißprozess typisch
ist, können nur gezielte Maßnahmen in der Werkstoffzusammensetzung und der Prozessführung
eine Verbesserung der Schweißgutqualität bewirken. [12]
Der aktuelle Stand der Technik und die Voraussetzungen für die fachgerechte Ausführung von
nassen Unterwasserschweißarbeiten sind in [13] und [14] zusammengestellt. Eine
Grundvoraussetzung für eine fachgerechte Unterwassernassschweißung ist die Auswahl und der
Einsatz einer qualifizierten Taucherfirma mit entsprechend geschulten, gewerblichen Tauchern.
Dazu kommt die Verwendung der entsprechend qualifizierten Werkstoffe und Zusatzwerkstoffe.
Als Zusatzwerkstoffe für das nasse Unterwasserschweißen mit der Stabelektrode sollen
Elektroden mit 3,2 mm Durchmesser zum Einsatz kommen (bessere Nahtqualität durch
schmalere Raupen und weniger Wasserstoffeintrag als bei dickeren Elektroden), deren
Umhüllung durch spezielle Lacke vor der Aufnahme von Feuchtigkeit geschützt wird. Begründet
wird dieses auch mit der mit dieser Elektrode für typische a-Maße erforderlichen
Mehrlagentechnik, bei der das nachfolgende Überschweißen eine Art Wärmenachbehandlung
des Schweißgutes darstellt. So können ein hoher Wasserstoffanteil, eine hohe Härte und
schlechte Schweißgutwerte (Duktilität, Kerbschlagzähigkeit oder Sprödbrüchigkeit) verringert,
bzw. verbessert werden. Gegenüber der Strichraupentechnik stehen bei dieser sogenannten
Temper Bead Technik der verbesserten Nahtqualität jedoch bis zu 5fach höhere Kosten
entgegen. Die Elektroden sollen so zusammengesetzt sein, dass sie dem verstärkten
Legierungsabbrand infolge der steigenden Wassertiefe, dem hohen Wasserstoff- und
Sauerstoffangebot um den Lichtbogen und das Schweißgut sowie den rapiden
Abkühlbedingungen durch das umgebende Wasser Rechnung tragen [15].
Die zulässige Werkstoffauswahl wird in der Regel über die chemische Zusammensetzung
angegeben. So beschränkt [16] die Anwendung der „Nautica 20“, welche heute eine
gebräuchliche Stabelektrode für Arbeiten bis 20m Wassertiefe ist, auf „normale Baustähle“ mit
einem Kohlenstoffäquivalent CE ≤ 0,4% und einem Kohlenstoffgehalt C ≤ 0,15%. Höherfeste
Baustähle sollen nicht mit dieser Elektrode verschweißt werden. Als Grund für die
Einschränkungen wird wasserstoffinduzierte Rissbildung angegeben.
[13] und [17] beschreiben die über die Mehrlagentechnik hinausgehende Methode der Temper-
Bead-Technik, welche die Gefahr der Entstehung wasserstoffinduzierter Risse bei Stählen mit
einem mit einem Kohlenstoffäquivalent von CEV > 0,4% verringert. Dabei wird die gerade mit
normaler Schweißgeschwindigkeit gelegte Schweißraupe, für die die erste Hälfte der
Stabelektrode verbraucht wird, nach Entfernung der Schlacke unmittelbar innerhalb von 60
Sekunden danach mit der zweiten Hälfte dünn überschweißt. Es ist darauf zu achten, dass die
zweite Raupe nicht mit dem Grundwerkstoff in Berührung kommt, um erneuten
Wasserstoffeintrag in die neue WEZ zu vermeiden.