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The successful energy transition in Germany will require offshore wind turbines with outputs >10 MW in the future. To achieve these high outputs, turbines far from coast are required with large subsea jacket structures (30 m up to 50 m) and tall towers (up to 200 m). High-strength steels with a yield strength up to 500 MPa and wall thicknesses up to 150 mm are increasingly being used for these structures. This plac-es high demands on welding manufacturing, especially for high-strength offshore steels. During the manu-facturing process detected defects by NDT require localized repair of welds by gouging and rewelding. Due to a lack of investigations, there are no repair concepts and information in standards and guidelines, par-ticularly for high-strength thick plate joints made of high-strength offshore steels. However, these are ur-gently needed to enable manufacturers, especially SMEs, to carry out safe and economical repairs. There-fore, BAM started the FOSTA project P1629 (IGF 01IF22746N) to investigate the stress-optimized repair (local gouging and welding) of high-strength thick plate joints made of offshore grades in the yield strength range off 355 to 460 MPa and similar weld metal with controlled high-performance GMAW pro-cesses and optimized narrow gouging grooves. The experimental analyses take into account the complex interaction of process, material, and design-related influences on the formation of weld induced stresses and the special microstructure of high-strength fine-grain structural steels. Welding-related material degra-dation and crack-critical residual tensile stresses need to be avoided to ensure high component safety and performance. A reduction in residual stress in the presence of high restraint conditions can be achieved by adapted heat control (if no disassembly measures are possible). The repair process involves manual thermal gouging, which allows the groove configuration to be modi-fied. Modern welding processes using high frequency arc control provide deep root penetration and focused energy input capable of welding narrow seams. A comparison was made between the traditional weld con-figuration with a wide 45° groove and transition arc welding and a narrow 30° groove with modern welding process. Even in the case of free shrinkage specimens, the narrow groove weld exhibits a significant reduc-tion of residual stresses, cf. Figure 1, especially in the HAZ and toward the adjacent base material. This can be attributed to the lower weld metal volume needed and the reduction of heat input per layer due to the controlled arc process. For the purposes of this comparison, the same weld seam build-up (but different number of layers) has been applied to both seam configurations. Note that in industrial application (manu-al welding), the wider groove would be welded with several off-center weld beads with conventional weld-ing process. In this analysis this would cause asymmetric effects regarding the residual stress state, diffi-cult to compare to each other. Component-related welding experiments on special testing equipment, adapted process and heat control concepts along with variable groove configurations will be developed and recommendations for guidelines elaborated. This is the prerequisite for fully utilizing the strength potential of high-strength steels and making a valuable contribution to the energy transition in Germany, especially for steel-processing SMEs.
Moderne Schweißverfahren zur Optimierung von Reparaturschweißungen an hochfesten Offshore-Stählen
(2025)
The successful energy transition in Germany will require offshore wind turbines with outputs >10 MW in the future, for which high-strength steels with a yield strength of up to 500 MPa and wall thicknesses up to 150 mm are increasingly being used. The repair of weld seams when detecting defects during NDT requires local-ized gouging and rewelding. This involves high demands on welding manufacturing, especially for high-strength steels. Due to a lack of investigations, there are no re-pair concepts and information in standards and guidelines, particularly for high-strength thick plate joints made of high-strength offshore steels. However, these are urgently needed to enable processors, especially SMEs, to carry out safe and eco-nomical repairs. Therefore, BAM started the FOSTA project P1629 (IGF 01IF22746N) to investigate the stress-optimized repair (local gouging and welding) of high-strength thick plate joints made of offshore grades in the yield strength range off 355 to 460 MPa and similar weld metal with controlled high-performance GMAW processes and optimized narrower gouging grooves. The experimental analyses consider the complex interaction of material, process, and design-related influences on the formation of weld-related stresses and the special microstructure of high-strength fine-grain structural steels. Welding-related material degradation and crack-critical residual tensile stresses need to be avoided to ensure high component safety and performance. With component-related welding experiments on special testing equipment, adapted process and heat control concepts along with variable groove configurations will be developed and recommendations for guidelines elabo-rated. This is the prerequisite for fully utilizing the strength potential of high-strength steels and making a valuable contribution to the energy transition in Germany, espe-cially for steel-processing SMEs.
Residual stress formation during repeated gouging and repair welding cycles of high-strength steels
(2024)
The construction of foundation and erection structures for wind power plants requires the use of modern, sustainable and resource-efficient high-strength fine-grained structural steels. Weld defects due to the welding process are unacceptable. To overcome this issue, local thermal gouging followed by re-welding is a common and cost-effective method. The high shrinkage restraint of the gouge by the surrounding structure can cause crack initiation when design and re-weld induced residual stresses are superimposed. This risk is intensified by the progressive degradation of the microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the weld repair process.
This investigation focuses on high-strength steels S500MLO for offshore applications and S960QL for mobile crane applications. The reduction and development of residual stresses caused by local thermal gouging and re-welding was investigated. Digital Image Correlated (DIC) stress-strain analysis was performed during preheating, welding and cooling. The results of the global DIC analysis and local longitudinal and transverse residual stresses of the weld determined by X-ray diffraction were found to be in good agreement. Furthermore, different stress levels were identified during gouging and welding. Repeated repair cycles led to an increase of longitudinal and transverse residual stresses in the weld metal as well as a hardness increase in the heat affected zone.
Der Ausbau der Offshore-Windenergie mit Anlagenleistungen von über 10 MW er-fordert zunehmend den Einsatz hochfester Stähle mit Streckgrenzen ab 460 MPa bei Wanddicken von bis zu 150 mm. Inakzeptable Defekte, die während bzw. nach der schweißtechnischen Montage solcher dickwandigen Verbindungen im Nahtbereich detektiert werden, können wirtschaftlich durch lokales Ausfugen und anschließendes Schweißen noch in der Fertigung repariert werden. Insbesondere bei hochfesten Baustählen stellt dies hohe Anforderungen an die schweißtechnische Fertigung, da bislang keine standardisierten Reparaturkonzepte oder normativen Vorgaben existie-ren. Praxisnahe Empfehlungen sind hier vor allem für kleine und mittlere Unterneh-men (KMU) notwendig, damit diese Reparaturschweißungen sicher und wirtschaft-lich durchführen können.
Die laufende Untersuchung (FOSTA P1629/IGF 01IF22746N) legt daher den Schwerpunkt auf die Optimierung der Reparaturverfahren mit dem Ziel, schweißbe-dingte Beanspruchungen zu reduzieren, weil diese häufig zu erneuten Bildung Fehl-stellen führen. Hierfür werden hochfeste, dickwandige Verbindungen aus Offshore-Stahlgüten im Streckgrenzenbereich von 355 MPa bis 460 MPa untersucht. Die ex-perimentellen Analysen berücksichtigen dabei die komplexen Wechselwirkungen zwischen werkstoff- und prozess- sowie konstruktionsbedingten Einflüssen auf den Beanspruchungszustand nach dem Schweißzyklus (Verbindungsschweißen, Ausfu-gen, Reparaturschweißen). Diese Faktoren, wie z. B. die Steifigkeitsverhältnisse der Schweißnaht, sind von entscheidender Bedeutung für die resultierenden Eigenspan-nungen, die sich infolge der schweißtechnischen Reparatur ausbildet. Um die Bau-teilsicherheit und Leistungsfähigkeit zu gewährleisten, sind insbesondere risskriti-sche, mehrachsige Eigenspannungszustände zu vermeiden. So lassen sich moderne Hochleistungs-MAG-Schweißprozesse mit hierfür optimierten, schmaleren Fugen-geometrien in bauteilbezogenen Schweißversuchen auf Großprüfanlagen untersu-chen, um hierfür angepasste Prozess- und Wärmeführungsparameter zu identifizie-ren und angepasste Reparaturkonzepte abzuleiten. Ziel ist es, Handlungsempfehlun-gen für Richtlinien und Normen zu erarbeiten, die das Potenzial hochfester Stähle voll ausschöpfen und die Anwendbarkeit im Offshore-Stahlbau, insbesondere für KMU, substanziell stärken. Auf diese Weise leistet das Projekt einen entscheiden-den Beitrag zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende in Deutschland.
Zunehmende Anlagengrößen im Bereich Windenergie erfordern hochfeste Stähle, um vorhandene Leichtbaupotenziale auszuschöpfen. An die schweißtechnische Verarbeitung dieser Stahlgüten werden hohe Anforderungen gestellt. Bei mittels zerstörungsfreier Prüfung festgestellten Fehlstellen empfehlen geltende Verarbeitungsrichtlinien lokales Ausfugen und Reparaturschweißen. Degradationen der speziellen hochfesten Gefüge und Werkstoffeigenschaften sowie hohe Schrumpfbehinderungen der umliegenden Struktur ausgefugter Bereiche erhöhen das Risiko erneuter Schweißdefekte, insbesondere durch Überlagerung von globalen und lokalen schweißbedingten Eigenspannungen nach dem Reparaturschweißen. Fehlende Informationen über geeignete Reparaturkonzepte in den Regelwerken können dazu führen, dass reparaturbedingte Beanspruchungen unzureichend berücksichtigt werden. Das FOSTA-Vorhaben P1311 (IGF20162N) fokussiert das Reparaturschweißen zweier hochfester Stähle: S500MLO für Offshore-Anwendungen und S960QL für Errichterstrukturen, z. B. Mobilkräne. Simulationen von Einspannbedingungen und Bauteilanalysen sowie Versuche mit anwendungs- bzw. realitätsnahen Bauteilstrukturen ließen sich auftretende schweißbedingte Beanspruchungen mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), Härtemessungen und metallografischer Untersuchungen ermitteln. In diesem Beitrag steht die Interaktion aus Wärmeführung und konstruktiver Steifigkeit als Einfluss auf die entstehenden Beanspruchungen bei einfacher und mehrfacher Reparatur im Vordergrund. Die Ergebnisse zeigen, dass sich risskritische Eigenspannungen durch adaptierte Wärmeführungskonzepte vermeiden lassen, und dass dies eine Grundlage für Verarbeitungsempfehlungen und für normative Vorgaben ist. Dies kann insbesondere kleine und mittelständischen Unternehmen bei einer wirtschaftlichen, beanspruchungsgerechten Reparatur hochfester geschweißter Bauteilen unterstützen.
Zunehmende Anlagengrößen im Bereich Windenergie erfordern hochfeste Stähle, um vorhandene Leichtbaupotenziale auszuschöpfen. An die schweißtechnische Verarbeitung dieser Stahlgüten werden hohe Anforderungen gestellt. Bei mittels zerstörungsfreier Prüfung festgestellten Fehlstellen empfehlen geltende Verarbeitungsrichtlinien lokales Ausfugen und Reparaturschweißen. Degradationen der speziellen hochfesten Gefüge und Werkstoffeigenschaften sowie hohe Schrumpfbehinderungen der umliegenden Struktur ausgefugter Bereiche erhöhen das Risiko erneuter Schweißdefekte, insbesondere durch Überlagerung von globalen und lokalen schweißbedingten Eigenspannungen nach dem Reparaturschweißen. Fehlende Informationen über geeignete Reparaturkonzepte in den Regelwerken können dazu führen, dass reparaturbedingte Beanspruchungen unzureichend berücksichtigt werden. Das FOSTA-Vorhaben P1311 (IGF20162N) fokussiert das Reparaturschweißen zweier hochfester Stähle: S500MLO für Offshore- Anwendungen und S960QL für Errichterstrukturen, z. B. Mobilkräne. Simulationen von Einspannbedingungen und Bauteilanalysen sowie Versuche mit anwendungs- bzw. realitätsnahen Bauteilstrukturen ließen sich auftretende schweißbedingte Beanspruchungen mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), Härtemessungen und metallografischer Untersuchungen ermitteln. In diesem Beitrag steht die Interaktion aus Wärmeführung und konstruktiver Steifigkeit als Einfluss auf die entstehenden Beanspruchungen bei einfacher und mehrfacher Reparatur im Vordergrund. Die Ergebnisse zeigen, dass sich risskritische Eigenspannungen durch adaptierte Wärmeführungskonzepte vermeiden lassen, und dass dies eine Grundlage für Verarbeitungsempfehlungen und für normative Vorgaben ist. Dies kann insbesondere kleine und mittelständischen Unternehmen bei einer wirtschaftlichen, beanspruchungsgerechten Reparatur hochfester geschweißter Bauteilen unterstützen.
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.
The ongoing German energy transition will require offshore wind turbines with outputs of >10 MW in the future. Turbines with these high outputs must be located far from the coast, with up to 50 m large subsea jacket structures and tall towers. These structures are increasingly fabricated of high-strength steels with a yield strength up to 500 MPa and wall thicknesses of up to 120 mm. During production, weld defects identified through non-destructive testing (NDT) must be locally repaired by gouging and rewelding. Standards and guidelines lack sufficient concepts and information regarding such repair procedures. To address this gap, BAM launched the FOSTA project P1629 (IGF 01IF22746N) to explore stress-optimised repair concepts, specifically local gouging and welding, for highstrength thick plate joints made from offshore-grade steels with yield strengths between 355 MPa and 460 MPa, including matching weld metals. This research aims to develop a stress-optimised repair concept for thick plate joints, utilising controlled high-performance GMAW techniques and narrow gouging grooves. Both thermal and mechanical gouging methods are applied, enabling adjustments to the groove geometry. Modern welding processes offer deep root penetration and concentrated energy input, making them suitable for narrow seams. The intended reduction in residual stress results from the decreased weld metal volume, due to modified groove shapes and the lower heat input per layer achieved through controlled arc processes. Experimental investigations examine how process parameters, material properties, and design factors interact to influence the development of welding-induced stresses. The project concludes with practical recommendations for guidelines tailored to steel-processing SMEs
The ongoing energy transition in Germany requires large offshore wind turbines with outputs over 10 MW and suitable deep-water subsea structures. Large towers made of high-strength steel with a yield strength of up to 500 MPa are needed to use the mate-rial more efficiently, enabling thinner wall sections without compromising structural integrity. This places high demands on manufacturers, especially regarding welding high-strength offshore steels. Weld defects detected through non-destructive testing (NDT) must be repaired by gouging and rewelding during fabrication. For thick plate joints, there is a notable lack of research, repair strategies, and guidance in standards and guidelines. Safe and cost-effective repairs are urgently necessary to support manufacturers, particularly SMEs. This study focuses on high-strength thick plate joints made of offshore grades with a yield strength of 355 to 460 MPa, repaired us-ing optimised narrow gouging grooves and controlled high-performance GMAW pro-cesses. Experimental analyses examine the complex interaction between the welding process, material properties, and design influences on the formation of weld-induced residual stresses in high-strength fine-grain structural steels. To ensure the safety and performance of components, it is essential to prevent repair welding-related material degradation and the development of crack-critical residual tensile stresses.
In this investigation, gouging was carried out using milling to ensure reproducibility. The restraint intensity of the groove significantly increases with a shorter groove length and a thicker substrate. The relaxation caused by the gouging process was ana-lysed using X-ray diffraction (XRD) to examine the initial conditions for the subse-quent repair welding. The residual stresses induced by the repair welding were ana-lysed, and different groove configurations have been compared. With shorter groove lengths and wider opening angles, the residual stresses after the repair weld increase markedly for this analysed offshore steel. The lowest residual stresses can be achieved by increasing the groove length and reducing the opening angle for a repair weld with a modern, controlled welding process. Adapting the repair process and boundary conditions allows for the full utilisation of the material's potential. This makes a valuable contribution to the energy transition in Germany, especially for SMEs in the steel processing industry.
The successful energy transition in Germany will require offshore wind turbines with outputs >10 MW in the future. To achieve these high outputs, turbines far from the coast are required, featuring large subsea jacket structures (30 m up to 50 m) and tall towers (up to 200 m). High-strength steels with a yield strengths up to 500 MPa and wall thicknesses of up to 120 mm are increasingly being used for these structures. During manufacture, weld defects detected by non-destructive testing (NDT) require localized repair (gouging and rewelding). To date, there is a lack of repair concepts and information in standards and guidelines. Therefore, BAM initiated the FOSTA project P1629 (IGF 01IF22746N) to investigate the stress-optimized repair (local gouging and welding) of high-strength thick plate joints made of offshore grades in the yield strength range off 355 to 460 MPa and similar weld metal. This research aims to develop a stress-optimized repair concept for thick plate joints, using controlled high-performance GMAW processes and optimized, narrow gouging grooves. Thermal and mechanical gouging are performed, allowing the groove configuration to be modified. Modern welding processes provide deep root penetration and focused energy input capable of welding narrow seams. The aimed residual stress reduction can be attributed to the lower input of weld metal due to the changes in groove configuration and to the reduction in heat input per layer due to the controlled arc process. The experimental analyses take into account the interaction of process, material, and design-related influences on the formation of weld induced stresses. Concluding with recommendations for guidelines elaborated for steel-processing SMEs.
