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Um den Klimawandel wirksam zu bekämpfen, ist es entscheidend, fossile Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen wie Wind-, Solar- und Wasserkraft sowie alternative Energieträger, beispielsweise grünen Wasserstoff, zu ersetzen. Offshore-Windenergie spielt hierbei eine zentrale Rolle, da sie dank der Kombination aus globaler Verfügbarkeit, relativ geringen Betriebskosten und fortgeschrittenem technischen Entwicklungsstand besonders geeignet ist, zur regenerativen Stromerzeugung beizutragen. Sie ist zudem ein Schlüsselelement für die Umsetzung des Europäischen Green Deals, der das Ziel verfolgt, bis 2050 Klimaneutralität in der EU zu erreichen. Expertenschätzungen zufolge ist eine Steigerung der aktuellen Kapazität von 25 GW im Jahr 2020 auf etwa 450 GW notwendig, um diese ambitionierten Ziele zu erfüllen.
Bei der Entwicklung zukünftiger Offshore-Windparks, insbesondere in tieferen Gewässern, gewinnen Jacket-Gründungsstrukturen an Bedeutung. Diese Strukturen, die eine höhere Steifigkeit bei geringerem Materialeinsatz im Vergleich zu den bisher vorherrschenden Monopile-Gründungen bieten, basieren auf komplexen, räumlich aufgelösten Konstruktionen, die ähnlich den Öl- und Gasplattformen entwickelt werden. Die Herstellung der Jacketknoten, die bislang überwiegend manuell geschweißt wurden, birgt erhebliches Optimierungspotential. Durch Automatisierung und Digitalisierung der Fertigungsprozesse könnten nicht nur die Effizienz gesteigert, sondern auch die Qualität der Endprodukte durch präzise Überwachung und Kontrolle der Produktionsparameter verbessert werden. Diese technologischen Fortschritte sind für die Skalierung der Offshore-Windenergie und die Erreichung der Klimaziele von entscheidender Bedeutung.
Beim Schweißen höherfester Stähle mit LTT-Zusatzwerkstoffen im Wurzelbereich der Schweißverbindung wird eine Erhöhung der Kaltrisssicherheit durch die Erzeugung von Druckeigenspannungen erreicht.
Es sind mechanische Gütewerte und Eigenspannungen in Abhängigkeit der Randbedingungen, insbesondere der Wärmeführung und des Nahtaufbaus im Wurzelbereich, systematisch zu ermitteln. Durch das Ableiten von Verarbeitungsempfehlungen wird eine sichere und optimale Handhabung der LTT-Zusätze ermöglicht.
Ziel ist die Entwicklung eines Maßnahmenkatalogs für die schweißtechnische Verarbeitung von LTT-Zusatzwerkstoffen zur Kaltrissvermeidung im Wurzelbereich höherfester Schweißverbindungen speziell für den Offshore-Bereich.
Bei der Fertigung dickwandiger Bauteile durch Schweißverfahren mit großen Abschmelzleistungen kommt es zu einer Wasserstoffversprödung. Diese ist abhängig von den Grundwerkstoff-Zusatzwerkstoff-Kombinationen, welche zu unterschiedlichen Ausscheidungen führen und das Diffusions- und Trappingverhalten des Wasserstoffes im Gefüge beeinflussen. Die metallurgischen Einflüsse sind bisher unbekannt. Es werden Empfehlungen zur Wärmeführung beim Schweißen abgeleitet. Hierzu ist es notwendig, die metallurgie- und mikrostrukturspezifische Wasserstoffdiffusion und -freisetzungstemperatur zu bestimmen. Die Konzepte zur Vermeidung der Kaltrissanfälligkeit werden an UP/MSG-Bauteilschweißungen entwickelt. Ziel ist die Identifikation von metallurgisch günstigen GW-Zusatz-Kombinationen zur a-priori Vermeidung zeitverzögerter wasserstoffunterstützter Kaltrissbildung geschweißter Komponenten aus modernen Stählen.
Bei der Montage von Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich.
In einem Forschungsprojekt (FOSTA P1311) wurden Untersuchungen durchgeführt und Kenntnisse erarbeitet, um mittelfristig vor allem KMU beanspruchungsgerechte Reparaturkonzepte zur Verfügung zu stellen. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade KMU können mit Blick auf die Kosten für Fertigung, Schweißarbeit und Material von den Erkenntnissen beim Einsatz hochfester Stähle, die für eine effiziente Realisierung der Energiewende in Deutschland notwendig sind, profitieren.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
Die Energiewirtschaft ist bereits jetzt in massivem Umbruch. Herausforderungen der Energiewende sind u.a. die Einbindung von regenerativen Energiequellen und deren Speicherung. Dieses stellt auch die Fügetechnik, als zentrale Produktionstechnologie für die Komponentenfertigung, vor neue Aufgaben. Der Vortrag gibt zu ausgewählten Themen einen kurzen Überblick.
Das Schweißen von hochfesten Feinkornbaustählen erfordert aufgrund der Sicherstellung der Gütewerte des Grundwerkstoffes (Zähigkeit, Festigkeit) auch in der Schweißverbindung, die Einhaltung von engen Grenzen bei der Auswahl von Schweißparametern. Die Reproduzierbarkeit von beanspruchungsgerechten hochfesten Schweißverbindungen hängt vom Schweißverfahren und der damit einhergehenden komplexen Gefügeausbildung ab. Hierbei müssen hochfeste Schweißverbindungen mindestens die gleichen Festigkeitsanforderungen erfüllen wie der eingesetzte Grundwerkstoff. In diesem Vortrag werden speziell die Herausforderungen wie der Empfindlichkeit gegenüber der wasserstoffunterstützen Kaltrissbildung beim Schweißen von hochfesten Feinkornbaustählen und dem Mikrolegierungseinfluss auf die divergente Ausbildung der Wärmeeinflusszone thematisiert.
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.
Die Offshore-Windenergie spielt eine wichtige Rolle beim angestrebten Übergang zu einer emissionsfreien Industrie während der nächsten Jahrzehnte. Allerdings beeinflusst die Gründung der Offshore-Windanlagen den gesamten Installationsprozess. Die Anwendung von Leichtbauprinzipien im Stahlbau, wie beispielsweise die Verwendung von aufgelösten Tragstrukturen, sogenannten Jacket-Fundamenten, bietet ein großes Potenzial zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, insbesondere im Hinblick auf die benötigte Stahlmenge. Der Vortrag befasst sich daher mit der vollständigen Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungs- und Prüfkette. Ziel ist es, eine vollautomatische Fertigung sowie Qualitätsprüfung von Rohrknoten zu ermöglichen. Diese stellen ein Schlüsselelement von Jacket-Fundamenten dar. Des Weiteren wird der Zusammenhang zwischen der Geometrie der Schweißnaht und der resultierenden Ermüdungsfestigkeit durch numerische Methoden unter Einbeziehung bionischer Prinzipien bewertet. Es wird gezeigt, dass rohrförmige Knoten unter Berücksichtigung von Geometrietoleranzen vollautomatisch geschweißt werden können. Die Schweißnahtform konnte gemäß den numerischen Modellen hergestellt werden, was ein großes Potenzial für eine verlängerte Lebensdauer bietet. Anschließend erfolgt eine Bewertung der Verbesserungen bei der Ressourceneffizienz und der Verringerung des CO2-Fußabdrucks durch ein Life Cycle Assessment.
Um den wachsenden Anforderungen an den stofflichen und konstruktiven Leichtbau sowie den Forderungen nach Ressourceneffizienz Rechnung zu tragen, werden in vielen Industriebranchen zunehmend höherfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen über 690 MPa eingesetzt. Allerdings werden mit zunehmender Festigkeit deutlich höhere Anforderungen an deren schweißtechnische Verarbeitung gestellt, da die Sensibilität gegenüber einer Herabsetzung der mechanischen Eigenschaften durch den beim Schweißen aufgenommenen diffusiblen Wasserstoff mit steigender Festigkeit zunehmen kann. In den vergleichenden Untersuchungen von konventionellem Übergangslichtbogen und modifiziertem Sprühlichtbogen bei reduziertem Nahtöffnungswinkel konnte gezeigt werden, dass die Schweißprozessparameter die in das Schweißgut eingebrachte Wasserstoffkonzentration beeinflussen. Grundsätzlich ist den erarbeiteten Ergebnissen zu entnehmen, dass im Schweißgut von Stumpfstoßverbindungen mit reduziertem Nahtöffnungswinkel erhöhte mittlere Wasserstoffkonzentrationen vorliegen. Diese können mit geeigneten Wärmeführungen signifikant reduziert werden. Dabei erwies sich eine Nachwärmprozedur aus der Schweißwärme heraus als zielführend. Zudem konnte der Effekt der Nachwärmprozedur anhand fremdbeanspruchter Kaltrissprüfungen nachgewiesen werden.
Laserstrahlhybridschweissen von Türmen für Windkraftanlagen Ökonomische und ökologische Vorteile
(2022)
Das Laserstrahlhybridschweißen ist beim Schweißen von Türmen für Windkraftanlagen eine Alternative zum Unterpulverschweißen von Dickblechen in Mehrlagentechnik und bietet hier ökonomische und ökologische Vorteile. Der industrielle Einsatz des Verfahrens ist jedoch durch prozessspezifische Herausforderungen eingeschränkt. Die im Beitrag beschriebene kontaktlose elektromagnetische Badstütze dient zur Erweiterung des Verfahrenspotenzials im Dickblechbereich >15 mm.
Offshore wind turbines (OWT) are a major goal of the energy strategy of Germany encompassing the increase of the installed wind power. OWT components are manufactured from welded steel plates with thicknesses up to 200 mm. The underlying standards and technical recommendations for construction of OWTs encompass specifications of so-called minimum waiting time (MWT) before non-destructive testing of the weld joints is allowed. Reason is the increased risk of time-delayed hydrogen assisted cold cracking as hydrogen diffusion is very slow due to the very thick plates. The strict consideration of those long MWT up to 48 h during the construction of OWTs leads to significant financial burden (like disproportionately high costs for installer ships as well as storage problems (onshore)). In this study, weld joints made of S355 ML were examined in comparison with the offshore steel grade S460 G2+M. The aim was to optimize, i.e., reduce, the MWT before NDT considering varied heat input, hydrogen concentration and using self-restraint weld tests. This would significantly reduce the manufacturing time and costs of OWT construction. To quantify the necessary delay time until hydrogen-assisted cold cracks appear, acoustic emission analysis was applied directly after welding for at least 48 h.
The development within the offshore wind energy sector towards more powerful turbines combined with increasing water depth for new wind parks is challenging both, the designer as well as the manufacturer of support structures. Besides XL-monopiles the jacket support structure is a reasonable alternative due to the high rigidity combined with low material consumption. However, the effort for manufacturing of the hollow section joints reduces the economic potential of jacket structures significantly. Therefore, a changeover from an individual towards a serial production based on automated manufactured tubular joints combined with standardized pipes must be achieved. Hence, this paper addresses the welding process chain of automated manufactured tubular joints including digitization of the relevant manufacturing parameters such as laser scanning of the weld seam geometry. Additionally, a methodology for the computation of the notch radius as well as the weld seam angle is presented based on the scanned profiles of three analysis points of an automated manufactured tubular X-joint. Subsequently, these parameters are considered within the notch stress approach based fatigue design and their impact is quantified by a comparison with the structural stress approach using equivalent stress concentration factors.
Large scale hydrogen assisted cracking test for thick walled SAW joints for offshore applications
(2023)
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods or jackets. These components are typically submerged arc welded (SAW) high-strength thick steel plates like the S420ML. During welding, the occurrence of delayed hydrogen assisted cracking (HAC) must be anticipated. HAC is a critical combination of the local hydrogen concentration within a susceptible microstructure under certain mechanical load, i.e., the occurring (welding) residual stresses. The welding sequence of the thick-walled plates complicate the residual stress distribution due to the necessary repeated thermal cycling, i.e., welding seam / layer deposition to fill the joint. For that purpose, SAW with two-wire-technique was used to weld a specially designed and prototype-like mock-up of a real component with a thickness of 50 mm, filled more than 20 passes and a seam length of 1,000 mm. Additional welded stiffeners simulated the effect of a high restraint, to stimulate critical HAC conditions. The necessity of a minimum waiting time (MWT) before the NDT can be conducted (to exclude HAC) was critically verified by the application of ultrasonic testing of the welded joint at different time-steps of the NDT of 48 h after welding. The residual stresses were determined by a robot XRD goniometer. Tensile residual stresses up to the yield limit are found both in the weld metal and in the heat-affected zone. Numerical modelling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. A remarkable HAC occurrence was not identified and proves both, a certain resistance of the weld joint to HAC and the (questionable) duration of the MWT.
This article presents a cost-effective and reliable method for welding 30 mm thick sheets of shipbuilding steel EH36. The method proposes to perform butt welding in a two-run technique using hybrid laser arc welding (HLAW) and submerged arc welding (SAW). The HLAW is performed as a partial penetration weld with a penetration depth of approximately 25 mm. The SAWis carried out as a second run on the opposite side. With a SAWpenetration depth of 8 mm, the weld cross-section is closed with the reliable intersection of both passes. The advantages of the proposed welding method are: no need for forming of the HLAW root; the SAW pass can effectively eliminate pores in the HLAWroot; the high stability of the welding process regarding the preparation quality of the weld edges. Plasma cut edges can be welded without lack of fusion defects. The weld quality achieved is confirmed by destructive tests.
Innovative Design- und Fertigungsstrategien zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau
(2022)
Offshore wind energy plays an important role for the desired transition towards a carbon dioxide free industry within the next decades. However, the grounding of the offshore wind plants governs the overall installation process besides bureaucratic bottlenecks.
The application of lightweight principles in steel construction, e.g. the usage dissolved load-bearing structures, so called Jackets foundations, offer great potential in reducing the resource consumption, especially with respect to the needed amount of steel.
In this context this presentation focuses on a fully digitalization of the welding manufacturing and as well as testing chain to enable a fully automated manufacturing as well as quality assessment of tubular nodes as key element of Jackets foundation structures. Furthermore, the relationship between the seam shape geometry and resulting fatigue strength is evaluated by numerical methods incorporating bionic principles. It is shown that tubular nodes can be welded fully automatically taking geometry tolerances into account. Moreover, the seam shape could be manufactured as requested by the numerical models which offers great potential for an extended lifetime. Subsequently, the improvements in resource efficiency and reduction of carbon dioxide emissions are evaluated by a life-cycle-assessment.
Die vorliegende Präsentation fasst die Ergebnisse von drei laufenden bzw. beendeten AiF/IGF-Projekten zusammen, die über die Forschungsvereinigung Stahlanwendung FOSTA e.V. an der BAM bearbeitet wurden zum Thema: Bewertung und Vermeidung von schweißverarbeitungsbedingten Rissen in hochfesten Baustählen.
Large scale hydrogen assisted cracking test for thick walled SAW joints for offshore applications
(2023)
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods or jackets. These components are typically submerged arc welded (SAW) high-strength thick steel plates like the S420ML. During welding, the occurrence of delayed hydrogen assisted cracking (HAC) must be anticipated. HAC is a critical combination of the local hydrogen concentration within a susceptible microstructure under certain mechanical load, i.e., the occurring (welding) residual stresses. The welding sequence of the thick-walled plates complicate the residual stress distribution due to the necessary repeated thermal cycling, i.e., welding seam / layer deposition to fill the joint. For that purpose, SAW with two-wire-technique was used to weld a specially designed and prototype-like mock-up of a real component with a thickness of 50 mm, filled with 22 passes and a seam length of 1,000 mm. Additional welded stiffeners simu-lated the effect of a high restraint, to stimulate critical HAC conditions. The necessity of a minimum waiting time (MWT) before the NDT can be conducted (to exclude HAC) was critically verified by the application of ultrasonic testing of the welded joint at different time-steps of the NDT of 48 h after welding. The residual stresses were determined by a robot XRD goniometer. Tensile residual stresses up to the yield limit are found both in the weld metal and in the heat-affected zone. Numerical modelling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. A remarkable HAC occurrence was not identified and proves both, a certain resistance of the weld joint to HAC and the (questionable) duration of the MWT.
High-strength steels have great potential for weight optimization due to reduced wall thicknesses in many modern steel constructions. Further advances in efficiency can be achieved through the application of additive manufacturing processes, such as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). These technologies enable the sustainable and resource-efficient manufacturing of high-strength steels into near-net-shape, efficient structures. During the production of steel structures, unacceptable defects may occur in the weld area or in the WAAM component, e.g., due to unstable process conditions. The economical solution for most of the cases is local gouging or machining of the affected areas and repair welding. With respect to the limited ductility of high-strength steels, it is necessary to clarify the effects of machining steps on the multiaxial stress state and the high design-induced shrinkage restraint. In this context, the component-related investigations in two research projects are concerned with the residual stress evolution during welding and slot milling of welds and WAAM structures made of high-strength steels with yield strengths ≥790 MPa. In-situ digital image correlation (DIC) and ex-situ X-ray diffraction (XRD) were used to analyse the stresses and strains induced on specimens during and after milling. The systematic analyses revealed a significant interaction of the stiffness and relaxation of the specimens with the initial residual stresses induced by welding.
Offshore-Windenergieanlagen bilden einen zentralen Bestandteil der zukünftigen Energieerzeugung. Hierzu notwendige Gründungs- und Turmstrukturen werden vorrangig aus UP-geschweißten Blechen aus hochfesten niedriglegierten Stählen mit Dicken bis zu 200 mm hergestellt. Die großen Blechdicken begünstigen hohe Schweißeigenspannungen und lange Diffusionswege für z.B. über den Schweißprozess eingebrachten Wasserstoff. Damit steigt das Risiko für eine wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung (WKB) an. Zum sichereren Ausschluss von WKB in den geschweißten Komponenten wird in Abhängigkeit der Nahtgröße, Wärmeeinbringung und Stahlsorte eine Mindestwartezeit (MWZ) von bis zu 48 h empfohlen, bevor die zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt wird. Es ist allerdings offen, ob die empfohlene MWZ zu konservativ ist. Einflüsse sind hier bspw. die schwierige Bewertung des Wasserstoffdiffusionsverhaltens im heterogenen UP-Mehrlagen-Schweißgut (SG) im Vergleich zum Grundwerkstoff (GW). Zudem sind nur sehr begrenzt H-Diffusions-koeffizienten für UP-Mehrlagen-SG als Grundlage zur Abschätzung des Zeitintervalls einer möglichen verzögerten Kaltrissbildung (somit MWZ) oder auch für Nachwärmprozeduren zur Wasserstoffreduktion (keine MWZ) verfügbar. Verlässliche H-Diffusionskoeffizienten sind daher ein adäquates Tool zur Bewertung des Risikos einer verzögerten WKB. Dieser Beitrag beschreibt Untersuchungen zur Charakterisierung der Wasserstoffdiffusionsverhalten in UP-Mehrlagen-SG eines 60 mm dicken Bleches einer Offshore-Stahlgüte. Dazu wurden Proben unterschiedlicher Dicke aus dem reinen Schweißgut extrahiert und über elektrochemische Permeation und Trägergasheißextraktion im Temperaturbereich bis 400 °C sehr interessante Ergebnisse zu den korrespon-dierenden Diffusionskoeffizienten erarbeitet. Es zeigte sich, dass:
1. Diffusionskoeffizienten bei Umgebungstemperatur als Tool zur Bewertung einer MWZ geeignet sind. Jedoch veränderte sich der Diffusionskoeffizient mit der untersuchten Probendicke um bis zu einer Größenordnung, d. h. daraus abgeleitete Wartezeiten differieren dementsprechend.
2. Dies deutet darauf hin, dass MWZs von bis zu 48 h einerseits möglicherweise zu konservativ gewählt sind, da der Wasserstoff schneller aus der Naht diffundiert. Andererseits muss aber auch die schnellere Diffusion in weitere potenziell risskritische Nahtbereiche, wie die WEZ, berücksichtigt werden. Daher ist noch keine direkte Aussage auf eine verallgemeinerte WKB-Anfälligkeit (ja/nein) innerhalb der MWZ möglich.
3. Im Fall einer konservativen Prävention der WKB durch Wasserstoffarmglühen (Vermeidung der MWZ) sind die Diffusionskoeffizienten bei erhöhten Temperaturen bis 400 °C zur Abschätzung der notwendigen Haltezeiten geeignet, z. B. über die numerische Simulation der Wasserstoffdiffusion.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Im vorliegenden Beitrag werden einige Verarbeitungsempfehlung auf Basis der Ergebnisse für den Arbeitskreis des DVS AG V 12 (Additive Fertigung) abgeleitet.
Ultraschallunterstützte Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide schwer spanbarer Werkstoffe
(2023)
Das hybride Fertigungsverfahren der ultraschallunterstützen Zerspanung wird mit geometrisch unbestimmter Schneide wie bspw. dem Schleifen bereits erfolgreich in der Industrie eingesetzt und verspricht auch unter Verwendung von Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide vielversprechende Vorteile gegenüber den konventionellen spanenden Fertigungsverfahren. In den letzten Jahren wurden an der BAM positive Ergebnisse beim ultraschallunterstützten Fräsen (USAM) von schwer spanbaren Werkstoffen wie z.B. Ni-/Co-Legierungen oder Eisenaluminid für den Leichtbau erzielt aber auch die Finishbearbeitung von schweißtechnisch generierten Bauteilen (AM) bspw. aus FeNi36 konnte hinsichtlich erreichbarer Werkzeuglebensdauer sowie Oberflächenintegrität zur Verbesserung der Komponentensicherheit beitragen. Die mittels USAM erzeugten Oberflächen erscheinen homogener und weisen weniger Defekte infolge des Materialabtrags auf, was sich ebenfalls in verringerten Rauheitskennwerten abbildet. Durch die geringere thermo-mechanische Belastung der Bauteiloberfläche sind Eigenschaftsdegradationen zusätzlich reduziert. Besonders großes Zukunftspotenzial besitzt das ultraschallunterstütze Fräsen durch die Erzeugung von erwünschten Druckeigenspannungen bis unter die Bauteiloberfläche, was auf die oszillierende Wirkung der Werkzeugschneide - vergleichbar mit einem Strahlprozess - zurückzuführen ist. Druckeigenspannungen tragen maßgeblich zur Risssicherheit hochbelasteter Komponenten bei wie sie bspw. in Turbinen vorzufinden sind und können somit zum Leichtbau und zur Ressourceneffizienz beitragen.
Offshore-Windenergieanlagen bilden einen zentralen Bestandteil der zukünftigen Energieerzeugung. Hierzu notwendige Gründungs- und Turmstrukturen werden vorrangig aus UP-geschweißten Blechen aus hochfesten niedriglegierten Stählen mit Dicken bis zu 200 mm hergestellt. Die großen Blechdicken begünstigen hohe Schweißeigenspannungen und lange Diffusionswege für z. B. über den Schweißprozess eingebrachten Wasserstoff. Damit steigt das Risiko für eine wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung (WKB) an. Zum sichereren Ausschluss von WKB in den geschweißten Komponenten wird in Abhängigkeit der Nahtgröße, Wärmeeinbringung und Stahlsorte eine Mindestwartezeit (MWZ) von bis zu 48 h empfohlen, bevor die zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt wird. Es ist allerdings offen, ob die empfohlene MWZ zu konservativ ist. Einflüsse sind hier bspw. die schwierige Bewertung des Wasserstoffdiffusionsverhaltens im heterogenen UP-Mehrlagen-Schweißgut (SG) im Vergleich zum Grundwerkstoff (GW).
Zudem sind nur sehr begrenzt H-Diffusionskoeffizienten für UP-Mehrlagen-SG als Grundlage zur Abschätzung des Zeitintervalls einer möglichen verzögerten Kaltrissbildung (somit MWZ) oder auch für Nachwärmprozeduren zur Wasserstoffreduktion (keine MWZ) verfügbar. Verlässliche H-Diffusionskoeffizienten sind daher ein adäquates Tool zur Bewertung des Risikos einer verzögerten WKB. Dieser Beitrag beschreibt Untersuchungen zur Charakterisierung der Wasserstoffdiffusionsverhalten in UP-Mehrlagen-SG eines 60 mm dicken Bleches einer Offshore-Stahlgüte.
Dazu wurden Proben unterschiedlicher Dicke aus dem reinen Schweißgut extrahiert und über elektrochemische Permeation und Trägergasheißextraktion im Temperaturbereich bis 400 °C sehr interessante Ergebnisse zu den korrespondierenden Diffusionskoeffizienten erarbeitet.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
High-strength fine-grained structural steels have great potential for modern weight optimized steel construc-tions. Efficient manufacturing and further weight savings are achievable due to Wire Arc Additive Manu-facturing (WAAM). First commercial high-strength welding consumables for WAAM are already available. However, the application is still severely limited due to a lack of knowledge and guidelines for the industry regarding welding residual stresses and component safety in manufacturing and operation. Residual stresses may be critical regarding the special microstructure of high-strength steels in context with the risk of cold cracking and component performance in service. Therefore, process- and material-related influences, as well as the design effects on residual stress formation and cold cracking, are being investi-gated in a research project (IGF 21162 BG) focusing a high-strength WAAM welding consumable with yield strength of over 800 MPa. Objectives are the establish-ment of special WAAM cold cracking tests and pro-cessing recommendations allowing economical, suita-ble, and crack-safe WAAM of high-strength steels. First studies on process-related influences showed transfor-mation residual stresses arising during cooling, which significantly influence stress evolution of the compo-nent during layer-wise build-up. This has not yet been investigated for WAAM of high-strength steels. Focus of this study is on the systematic investigation of interactions of the WAAM welding process and design with cooling time, hardness, and residual stresses.
Defined open hollow cuboids were welded and investi-gated under systematic variation (design of experi-ments, DoE) of the scale/dimensions (cf. Fig. 1a) and heat control (interlayer temperature Ti: 100–300 °C), heat input E: 200–650 kJ/m. The welding parameters were kept constant as possible to avoid any influence by the arc and the material transfer mode. The heat input adjusted primarily via the welding speed. The resulting different weald bead widths were considered by different build-up strategies (weld beads per layer) to ensure defined wall thicknesses. The hardness was determined on cross-sections taken from the manufac-tured hollow cuboids (Fig. 1c) and the analysis of the residual stress state was carried out by means of X-ray diffraction (XRD) at defined positions on the lateral wall (Fig. 1b).
The hardness is higher at the top compared to the lower weld beads, as shown in Fig. 1c exemplarily for central test parameters of the DoE = 425 kJ/mm, Ti = 200 °C). This may be attributed to the specific heat control of the top weld beads, i.e., quenching effects, which are not tempered by weld beads above as is the case for lower weld beads implying a higher hardness. It was observed that the hardness level decreases with increasing energy per unit length, while the in-terpass temperature has a rather low influence on the hardness
Residual stress analysis was performed on the lat-eral wall in the welding direction, cf. Fig. 1b, to deter-mine the influence of heat control and design. In the top area of the wall, maximum longitudinal residual stress-es of up to over 500 MPa exhibit, which corresponds to approx. 65% of the nominal yield strength of the mate-rial. The statistic evaluation of stress levels in welding direction of all test specimens show that adaption of heat input may reduce welding stresses up to 50%. In-terpass temperature has less pronounced effect on cool-ing times, microstructure, and on the residual level within parameter matrix. Overall, the results show a significant influence of heat input and component di-mensions on the residual stresses and minor effect of the interpass temperature. Hence, the properties of the specimens may be effectively adjusted via heat input. The working temperatures should be considered for global shrinkage behavior or restraints. Such investiga-tions of residual stress are necessary to further deter-mine local and global welding stresses regarding the consequences on the component safety during manu-facturing and service.
Der Vortrag gibt einen Überblick über den Einfluss der Prozessparameter auf die Eigenspannungen sowie die Härte in additiv gefertigten Bauteilen aus hochfestem stahl. Des Weiteren wird dargestellt, wie sich das Bauteildesign und trennende Fertigungsschritte auf die Eigenspannungen der Bauteile auswirken.
Dieser Beitrag befasst sich mit der Entwicklung eines wirtschaftlichen und robusten Verfahrens zum Schweißen dicker Stahlbleche. Es werden Ergebnisse für das Fügen von Blechen im Dickenbereich von 25 mm bis 80 mm vorgestellt. Die 30 mm dicken Schweißnähte konnten im Stumpfstoß in zwei Durchgängen unter Verwendung des Laserhybridschweißens und des Unterpulverschweißens (UP) geschweißt werden. Das Laserhybridschweißen wird als Einschweißung mit einer Tiefe von ca. 25 mm ausgeführt. Die UP-Lagen werden auf der gegenüberliegenden Seite des Blechs aufgebracht. Bei richtiger Wahl der Schweißparameter wird der
Nahtquerschnitt durch eine sichere Überlappung beider Lagen geschlossen. Bei Blechdicken über 30 mm ist eine Kantenvorbereitung erforderlich, die eine Ausführung der UP-Fülllagen in Engspalttechnik ermöglicht. Die Vorteile der vorgeschlagenen Prozesskombination liegen darin, dass die Nahtwurzel der Laserhybridnaht nicht geformt werden muss. Defekte in der Wurzel der Laserhybrideinschweißung können durch die UP-Lagen effektiv beseitigt werden. Das Verfahren bietet eine hohe Stabilität des Schweißprozesses in Bezug auf die
Qualität der Blechkanten. Plasmageschnittene Kanten konnten ohne Bindefehler geschweißt werden. Die erreichte Nahtqualität wurde durch zerstörende und zerstörungsfreie Prüfungen bestätigt.
Characterization of Hydrogen Diffusion in a Thick-walled Submerged Arc Multi-Layer Weld Joint
(2021)
The energy production of the future will be dominated by CO2-emission free techniques like wind turbines and become essential in scope of the planned hydrogen economy. As onshore installation capacity is limited, the in-crease of the number of offshore wind turbines (OWT) is a major goal. In that connection, the OWTs continuously increase in size and weight and demand adequate foundations concepts like monopiles or tripods. These compo-nents are typically manufactured from welded mild steel plates with thickness up to 200 mm. The predominant welding technique is submerged arc welding (SAW) with up to five wires. In accordance with the standards, the occurrence of delayed hydrogen assisted cracking is anticipated by either a hydrogen removal heat treatment (HRHT) or a so-called minimum waiting time (MWT) before non-destructive testing (NDT) of the respective weld joint is allowed. The reason for the MWT is the necessary time for the hydrogen diffusion at ambient temperature due the high plate thickness. Both the effectiveness of a HRHT at elevated temperatures or the MWT at ambient temperature can be estimated by calculation of the diffusion time. This time depends on reliable hydrogen diffu-sion coefficients and these are rare in literature. For that reason, this study presents the hydrogen diffusion coef-ficients obtained from a multi-layer SAW joint of an offshore steel grade. Two different experimental techniques were used to identify the respective diffusion behavior: (1) hydrogen desorption experiments with a carrier gas hot extraction analyzer at elevated temperatures for the characterization of a HRHT and (2) the electrochemical permeation technique at ambient temperature for the characterization of an MWT. From both experiments, the respective diffusion coefficients were calculated. The obtained DCs are different from those reported in literature, i.e., the duration or applicability of a HRHT or MWT must be critically discussed.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Im Rahmen der Normungssitzung werden praktikable Verarbeitungsempfehlungen basierend auf den Erkenntnissen des Vh. mit Vertretern aus Industrie und Forschung diskutiert.
Für eine nachhaltige und ressourceneffiziente Fertigung von Windkraftanlagen ist der Einsatz moderner hochfester Feinkornbaustähle vielfach notwendig. Bei der Montage hochfester Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich. Derzeitige Normen und Verarbeitungsrichtlinien geben hierbei kaum Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten, insbesondere für hochfeste Stähle. Vor diesem Hintergrund werden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) bauteilrelevante Untersuchungen zu den schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen bei der schweißtechnischen Reparatur durch lokales thermisches Ausfugen und erneutes Schweißen durchgeführt.
Hierzu werden einige wesentliche Ergebnisse an Beispielen des Ingenieurbaus, mit Blick auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen erörtert. In einem aktuellen Vorhaben (FOSTA P1311, IGF 20162N) sind darauf aufbauend die Einflüsse durch die Schrumpfbehinderung und Wärmeführung beim Reparaturschweißen hochfester Feinkornbaustähle (S500MLO, S960QL) sowie die Reparaturzyklenanzahl Fokus systematischer Untersuchungen. Mittels strukturmechanischer Berechnungen ließen sich hierzu selbstbeanspruchende Probenformen identifizieren, die unterschiedliche definierte Steifigkeitsverhältnisse von Reparaturschweißnähten realer Bauteile abbilden. Schweißnähte an diesen bauteilähnlichen Proben weisen signifikant erhöhte schweißbedingte Beanspruchungen mit zunehmenden (Biege-)Einspanngraden auf. Im Vergleich mit bisherigen Erkenntnissen wird gezeigt, dass eine sichere Reparatur solcher Schweißnähte nur mittels optimaler Reparaturkonzepte und Wärmeführung gelingt, um diesen hohen Beanspruchungen und auch den speziellen Gefügen hochfester Stähle Rechnung zu tragen.
Ziel der Untersuchungen ist es letztlich, Empfehlungen für beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte gerade für KMU abzuleiten, um Schäden und zumeist teure Nacharbeiten zu vermeiden.
As onshore installation capacity is limited, the increase in the number of offshore wind turbines (OWT) is a major goal. In that connection, the OWTs continuously increase in size and weight and demand adequate foundations concepts like monopiles or tripods. These components are typically manufactured from welded mild steel plates with thickness up to 200 mm. The predominant welding technique is submerged arc welding (SAW). In accordance with the standards, the occurrence of hydrogen-assisted cracking is anticipated by either a minimum waiting time (MWT, before non-destructive testing of the welded joint is allowed) at ambient or a hydrogen removal heat treatment (HRHT) at elevated temperatures. The effectiveness of both can be estimated by calculation of the diffusion time, i.e., diffusion coefficients. In this study, these coefficients are obtained for the first time for a thick-walled S420G2+M offshore steel grade and its multi-layer SAW joint. The electrochemical permeation technique at ambient temperature is used for the determination of diffusion coefficients for both the base material and the weld metal. The coefficients are within a range of 1025 to 1024 mm2/s (whereas the weld metal had the lowest) and are used for an analytical and numerical calculation of the hydrogen diffusion and the related MWT. The results showed that long MWT can occur, which would be necessary to significantly decrease the hydrogen concentration. Weld metal diffusion coefficients at elevated temperatures were calculated from hydrogen desorption experiments by carrier gas hot extraction. They are within a range of 1023 mm2/s and used for the characterization of a HRHT dwell-time. The analytical calculation shows the same tendency of long necessary times also at elevated temperatures. That means the necessary time is strongly influenced by the considered plate thickness and the estimation of any MWT/HRHT via diffusion coefficients should be critically discussed.
Eine nachhaltige und ressourceneffiziente Fertigung und Errichtung von Windenergieanlagen, sowohl auf See als auch an Land, erfordert zunehmend den Einsatz moderner hochfester Feinkornbaustähle. Werden nach dem Schweißen dieser hochfesten Konstruktionen unzulässige Defekte detektiert, sind nach geltenden Verarbeitungsrichtlinien die defekten Bereiche durch lokales Ausfugen und anschließendes Schweißen zu reparieren. Fehlende Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten in den Regelwerken bedingen oftmals eine unzureichende Berücksichtigung dabei auftretender zusätzlicher Beanspruchungen durch die erhöhte Schrumpfbehinderung der Ausfugenuten. Zusätzlich haben die ausführenden Betriebe vielfach kaum Kenntnis über die Degradation angrenzender Gefüge durch thermische Ausfugeprozesse und erneutes Schweißen, die in diesem Zusammenhang besonders bei den hochfesten Stählen als kritisch anzusehen sind. Das aktuelle Forschungsvorhaben der BAM (FOSTA P1311/IGF-Nr.20162N) fokussiert hierfür systematisch bauteilrelevante Untersuchungen zu den schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen bei der Reparatur von hochfesten Schweißverbindungen. Wesentlich sind hierbei der Einfluss der Schrumpfbehinderung, der Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie der Reparaturzyklenanzahl und die metallurgischen Aspekte bei den hochfesten Güten S500MLO für zukünftige Offshore-Anwendungen und S960QL für aktuelle Mobilkrananwendungen. Aufbauend auf einigen Studien zur schweißbedingten Beanspruchung hochfester Stähle zeigt der vorliegende Beitrag die Identifikation geeigneter Probengeometrien und Schweißdetails mittels numerischer und experimenteller Analysen. Dadurch wird die Übertragbarkeit der vorgestellten Schweißexperimente und Ergebnisse hinsichtlich der resultierenden Schweißeigenspannungen auf reale Reparaturfälle im Bereich des hochfesten Stahlbaus sichergestellt. Es zeigt sich in Übereinstimmung mit früheren Ergebnissen eine signifikante Erhöhung der Beanspruchungen an den variierten schlitzförmigen Prüfnähten. Das Eigenspannungsniveau sowohl im Schweißgut als auch in der WEZ korreliert mit dem Einspanngrad. Mit dem Ziel beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte zu erarbeiten, sind zum einen geringere Wärmeinbringungen, besonders durch niedrige Zwischenlagentemperaturen und Einspannbedingungen anzustreben, um hohe Beanspruchungen und kritische Gefügedegradationen im Reparaturbereich zu vermeiden. Dies wird durch systematische Untersuchungen zum Ausfugen und Schweißen sowie letztlich dem Transfer von Verarbeitungsempfehlungen für die Anwender und Richtlinien erreicht.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Höherfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ≥ 690 MPa neigen bei der schweißtechnischen Fertigung zur Bildung von wasserstoffunterstützten Kaltrissen. Diese Mikrorisse entstehen aus der kritischen Interaktion von lokalem risskritischem Gefüge, lokal erhöhter Wasserstoffkonzentration und lokal erhöhter Beanspruchung bzw. Dehnung. Aktuell gültigen Regelwerken zur schweißtechnischen Verarbeitung höherfester Feinkornbaustähle sind Anweisungen zu entnehmen, um das Risiko einer Kaltrissbildung zu minimieren. Die Weiterentwicklung der Werkstoffe (Legierungskonzepte) und neuer Lichtbogenprozesse zur Verringerung der Nahtöffnungswinkel bei gleichzeitiger Erhöhung der Abschmelzleistung (modifizierter Sprühlichtbogen) brachten jedoch auch neue Fragen hinsichtlich der Wasserstoffmenge in der Schweißverbindung nach dem Schweißen und der Kaltrissempfindlichkeit mit sich. Mikrolegierungselemente (V, Nb und Ti) bedingen bspw. eine verlangsamte Wasserstoffdiffusion. Schweißverbindungen unter reduziertem Nahtöffnungswinkel beinhalten höhere Wasserstoffkonzentrationen. Dieser Beitrag zeigt den Einfluss von Einbrandprofil (höhere Abschmelzleistung) auf die Kaltrissempfindlichkeit an einem höherfesten Feinkornbaustahl mit artähnlichem mikrolegierten Schweißzusatzwerkstoff anhand des fremdbeanspruchten Implant-Tests.
Bei der Montage von Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich. Die Verarbeitungsregelwerke empfehlen das lokale thermische Ausfugen betroffener Bereiche und erneutes Schweißen, geben aber aufgrund fehlender wissenschaftlich fundierter Untersuchungen kaum Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten. Dies betrifft insbesondere die Berücksichtigung und Optimierung resultierender schweißbedingter Beanspruchungen durch hohe Schrumpfbehinderungen der Ausfugenuten sowie der Gefügedegradation angrenzender Bereiche durch das Ausfugen und erneute Schweißen. Gerade bei hochfesten Stahlgüten ergeben sich dadurch häufig reduzierte mechanische Eigenschaften und zusätzliche schweißbedingte Beanspruchungen sowie erneut auftretende Nahtdefekte.
Deshalb wurden für das Forschungsvorhaben systematische bauteilrelevante Untersuchungen der schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen reparierter Schweißnähte in Abhängigkeit von der Schrumpfbehinderung und Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie von der Reparaturzyklenanzahl durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen auf, welche Faktoren sich für eine Beanspruchungsreduzierung auch bei hohen Einspannbedingungen eignen und wie eine Degradation des Gefüges und der Eigenschaften der Schweißnaht sowie wiederholte Schweißnahtdefekte in der Reparaturnaht vermieden werden können. Insbesondere können mittels adaptiver Wärmeführung geringere schweißbedingte Beanspruchungen in den Reparaturschweißnähten bewirkt werden. Bauteilversuche sichern zudem die Übertragbarkeit der Schweißexperimente in die Praxis ab.
Aufgrund der Erkenntnisse konnten Empfehlungen für beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte abgeleitet und ausgesprochen werden. Die Analysen wurden an den hochfesten Stahlgüten S500MLO für den Offshore-Bereich und S960QL für den Mobilkranbau realisiert. Damit wird insbesondere der wirtschaftlichen Fertigung hocheffizienter Konstruktionen für Windenergieanlagen und hochfester Strukturen, die für deren Errichtung notwendig sind, Rechnung getragen.
So bieten die Forschungsergebnisse eine wesentliche Grundlage für die Weiterentwicklung entsprechender Normen und Regelwerke. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade auch KMU können mit Blick auf die Kosten für Fertigung, Schweißarbeit und Material von den Erkenntnissen beim Einsatz hochfester Stähle, die für eine effiziente Realisierung der Energiewende in Deutschland notwendig sind, profitieren.
Schweißen ist ein industriell relevantes Fertigungsverfahren mit einer branchenübergreifenden Bedeutung. Die Umweltwirkungen von Schweißverfahren sind jedoch bisher unbekannt und werden im Entstehungsprozess eines Produktes entlang seiner Fertigungskette daher meist nicht berücksichtigt. Ferner ist der Schweißprozess durch einen hohen Verbrauch an Energie sowie Ressourcen gekennzeichnet. Zahlreiche Arbeiten zeigen, dass der Bedarf einer Ökobilanzierung enorm ist. Ursächlich für die bisher mangelhafte Etablierung der Ökobilanzierung von Schweißverfahren und damit Motivation für die Forschungsarbeiten ist die Unkenntnis relevanter Einflussgrößen und damit verbunden ein nicht abschätzbarer Aufwand bei der Durchführung sowie Implementierung einer Ökobilanz im fertigungstechnischen Kontext.
Demgegenüber ist die Ökobilanzierung in anderen Branchen ein oft genutztes Werkzeug zur Ableitung von Umweltwirkungen. Aufgrund der aktuellen Diskussionen bezüglich des Übergangs hin zu einer klimaneutralen Produktion erfährt auch die Analyse und Optimierung der Umweltwirkungen schweißtechnischer Fertigungsverfahren derzeit eine gesteigerte Aufmerksamkeit. Für Unternehmen stellt die Verfügbarkeit umweltverträglicher Produkte bzw. Prozesse eine gewisse Werbewirksamkeit dar, wie dies im Bereich der Schweißstromquellentechnik aktuell zu beobachten ist. Gleichzeitig wird das Thema des „green welding“ auch bezogen auf die gesamte Fertigungskette immer häufiger diskutiert. Dies zeigt sich durch eine in den letzten Jahren deutlich gestiegene Publikationsaktivität. Neben Analysen zu den Einflussfaktoren auf die Nachhaltigkeit in schweißtechnischen Produktionsumgebungen stehen vor allem auch konkrete Implementierungen in der Fertigung bzw. der Produktentstehung im Fokus.
Die grundlegende Vorgehensweise einer Ökobilanzierung (Life-Cycle-Assessment bzw. Abk. LCA) ist als standardisierte Methode in geltenden Normen] sowie in entsprechender Fachliteratur beschrieben. Kernelement der Ökobilanzierung ist die Sachbilanzierung, d.h. die Erfassung der relevanten Inputs sowie Outputs bezogen auf das System „Schweißprozess“. Aus dem entlang der schweißtechnischen Fertigungskette akkumulierten Ressourcenverbrauch während des Schweißens (z.B. Zusatzwerkstoff, elektrische Energie, Schutzgas, etc.) und Abfallprodukten bzw. Emissionen wird die Umweltwirkung entsprechend verschiedener Kategorien, z.B. dem CO2-Äquivalent, gemäß der World Steel Association abgeleitet.
In der schweißtechnischen Community ist es bekannt, dass die Umweltwirkung von Schweißprozessen qualitativ direkt aus dem Ressourcenverbrauch abgeleitet werden kann. Der Einfluss der verschiedenen Input- sowie Outflüsse auf ausgewählte Wirkkategorien ist jedoch nicht ad-hoc quantifizierbar. Die Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass der Materialverbrauch (z.B. Grund-/Zusatzwerkstoff, etc.), der Energieverbrauch (z.B. Wirkleistung sämtlicher elektrischer Verbraucher während der Prozesszeit), Gasverbrauch (Prozess-, Schutzgas oder Druckluft) sowie Hilfsmittel (z.B. Schutzgläser) signifikante Inputgrößen darstellen, deren Berücksichtigung im Rahmen einer Prozessökobilanz ausreichend ist.
Eine wesentliche Forderung des projektbegleitenden Ausschusses war, Methoden für eine direkte Implementierung, um somit Nachnutzung der Ergebnisse zu entwickeln. Um die Ökobilanzierung als festen Bestandteil in die schweißtechnische Dokumentation einfließen zu lassen, sind die notwendigen Arbeitsschritte zu automatisieren. Daher wurden im Rahmen der Forschungsarbeiten sämtliche zu berücksichtigenden Größen durch ein an der Forschungsstelle entwickelten Schweißdatenmanagements digital erfasst sowie archiviert und in eine Umweltwirkung durch Zugriff auf entsprechende Open-Source Datenbanken „übersetzt“. Das Datenmanagement ermöglicht die eindeutige Zuordnung der Umweltwirkung eines geschweißten Bauteiles ohne Dokumentationsaufwand für den Anwender. Dadurch werden insbesondere KMU in die Lage versetzt, den Anforderungen bezüglich der Bewertung der Ökoeffizienz von Fertigungsverfahren gerecht zu werden und somit auf die nationalen sowie internationalen klimapolitischen Rahmenbedingungen vorbereitet zu sein.
Die Analysen eines breiten Spektrums an Schweißverfahren haben gezeigt, dass eine Verringerung der Umweltwirkungen von Schweißverfahren demnach nur primär durch eine Reduktion des Zusatzwerkstoff- sowie Energieverbrauches zu realisieren ist. Hierbei zeigen Verfahren mit niedrigem Werkstoffeinsatz, im Extremfall autogene Verfahren, die geringsten Umweltwirkungen. Im Produktentstehungsprozess ist es daher notwendig, unter Berücksichtigung der Schweißbarkeit die ökologischen Verfahrenscharakteristika hinsichtlich konstruktiver, fertigungstechnischer sowie werkstoffspezifischer Randbedingungen zu bewerten, um die vorgeschriebenen Produkteigenschaften zu gewährleisten und die Umweltbelastung zu minimieren.
Damit der Workflow, der bei der Ökobilanzierung zu durchlaufen ist, vereinheitlicht und für jeden verständlich ist, fließen die Forschungsergebnisse direkt in die DIN SPEC 35235 „Nachhaltigkeit in der Schweißtechnik – Ökobilanzierung von Schweißverfahren“ ein. Dies ist die Grundlage, um die Vergleichbarkeit von Ökobilanzen in der Schweißtechnik zu gewährleisten und so deren Akzeptanz in der Industrie zu erhöhen. Damit ist ein optimaler Transfer der Forschungsergebnisse in die Industrie gewährleistet.
Die Entwicklung in der Offshore-Windenergie hin zu größeren, leistungsstärkeren An-lagentypen sowie die zeitgleich zunehmenden Wassertiefen der projektierten Wind-parks stellt u. a. Designer und Fertiger der Gründungsstrukturen von Windenergiean-lagen vor wachsende Herausforderungen. Neben dem Gründungskonzept der XL-Monopiles rückt wegen der Kombination aus dem vergleichsweise geringen Materialverbrauch bei gleichzeitig hoher Steifigkeit, auch die Jacketgründung in den Fokus. Der Fertigungsaufwand der Jackets ist verglichen mit Monopiles groß; kann jedoch durch die Nutzung von Standardrohren mit automatisiert gefertigten Jacketknoten reduziert werden.
Vor diesem Hintergrund beschreibt der vorliegende Forschungsbericht den Fertigungs-prozess zum automatisierten Schweißen von X-förmigen Hohlprofilknoten für Jacket-Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen. Ein weiteres wesentliches Ziel dieses Vorhabens war die konsequente Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungskette während der automatisierten Schweißung der X-Knoten. Die so ge-speicherten Prozessparameter können zum einen als Grundlage einer Qualitätskon-trolle dienen, zum anderen ermöglichen sie eine vollständige Nachverfolgbarkeit der automatisiert gefertigten Rohrknoten.
Der zweite maßgebend in diesem Bericht behandelte Aspekt umfasst die Quantifizie-rung der Einflüsse aus Fertigungsautomatisierung und Innenschweißen auf die Ermü-dungsfestigkeit der Hohlprofilknoten auf Basis serieller Ermüdungsversuche. Dazu wurden im Projekt zwei Serien mit jeweils 16 Schwingversuchen an ein- und doppel-seitig automatisiert geschweißten X-Knoten durchgeführt und entsprechende Struktur-spannungswöhlerlinien für die automatisiert gefertigten X-Knoten bestimmt.
Die Ergebnisse dieser Ermüdungsversuche werden abschließend in numerischen Untersuchungen auf Basis der Strukturspannungs- und des Kerbspannungskonzeptes gegenübergestellt, um die Prognosefähigkeit beider Konzepte für die ermüdungs-kritischen Bereiche des X-Knotens bewerten zu können.
Durch die im Forschungsvorhaben durchgeführten schweißtechnischen, experimen-tellen und numerischen Analysen konnte das Potential automatisiert gefertigter Rohr-knoten hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Ermüdungsverhalten quantifiziert werden. Zusätzlich konnte der Einfluss der inneren Schweißnaht auf die Ermüdungsfestigkeit bewertet werden.