Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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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.
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 sind 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 geplant, mit dem Ziel Empfehlungen für beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte abzuleiten. Hierfür sind gerade Analysen an hochfesten Stahlgüten S500 für den Offshore-Bereich und S960QL für den Mobilkranbau interessant, die zur Errichtung und Fertigung hocheffizienter Konstruktionen wie Windenergieanlagen notwendig sind. Die Erkenntnisse bieten eine Grundlage für entsprechende 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.
Bestrebungen zum Leichtbau sowie höhere Anforderungen an das ertragbare Lastkollektiv führen in der Auslegung von Schweißkonstruktionen zunehmend zum Einsatz hochfester Feinkornbaustähle. Ohne Anwendung kostenintensiver Nachbehandlungsverfahren ist die Lebensdauer hochfester Schweißverbindungen unter wechselnder zyklischer Beanspruchung jedoch limitiert. Neben der geometrischen Kerbe sind schweißbedingte Gefügeveränderungen und die Höhe und die Verteilung von Schweißeigenspannungen für die Eigenschaften von Schweißverbindungen von erheblicher Bedeutung. Sogenannte LTT-Zusatzwerkstoffe bieten eine äußerst lukrative Möglichkeit, die resultierenden Schweißeigenspannungen bereits während des Schweißens zu adaptieren. Durch die gezielte Ausnutzung der mit der martensitischen Phasenumwandlung verbundenen Volumenausdehnung können bei hinreichend niedriger Umwandlungstemperatur Druck oder niedrige Zugeigenspannungen induziert werden. Bisherige Untersuchungen konzentrieren sich vorrangig auf die Entwicklung von LTT-Legierungskonzepten sowie dem Nachweis von Druckeigenspannungen, bieten jedoch nur wenige Erkenntnisse zum Einfluss der Wärmeführung, vor allem der Zwischenlagentemperatur, oder der Schrumpfbehinderung auf die Beanspruchung von LTT- Mehrlagenschweißverbindungen unter realitätsnahen Fertigungsbedingungen.
Die Interaktion zwischen der martensitischen Phasenumwandlung und den thermischen bzw. den mechanischen Einflussfaktoren auf die Schweißeigenspannungen wurde einleitend durch elementare Schweißversuche analysiert. Mit Hilfe des Temperaturgradienten wurde der Einfluss der behinderten thermischen Schrumpfung auf den Eigenspannungszustand in LTT-Schweißverbindungen erstmalig richtungsabhängig verstanden. Unter der Vorlage eines hohen Einspanngrades wurden Druckspannungen bevorzugt aufgebaut, wenn der Temperaturgradient während der Phasenumwandlung nur schwach ausgeprägt war. Dabei durchgeführte In-situ-Beugungsexperimente haben gezeigt, dass der Einspanngrad nur in Zusammenhang mit der richtungsabhängig vorliegenden behinderten thermischen Schrumpfung zu betrachten ist, um die Beanspruchung einer Schweißverbindung unter konstruktiver Schrumpfbehinderung bauteilübergreifend bewerten zu können.
Anschließend wurden Mehrlagenschweißversuche unter freier Schrumpfung sowie in einer speziellen Prüfanlage unter konstruktiver Schrumpfbehinderung und realistischen Fertigungsbedingungen durchgeführt. Es gelang der Nachweis, dass durch die Verwendung von LTT-Legierungen das Reaktionsmoment Mx gegenüber einer konventionellen Schweißverbindung unabhängig von der Zwischenlagentemperatur reduziert wird. Dennoch nimmt die Reaktionsspannung σ_total mit zunehmender Zwischenlagentemperatur zu. Mit Hilfe des Temperaturgradienten wurde der Einfluss der behinderten thermischen Schrumpfung auf die lokale und die globale Beanspruchung der untersuchten Schweißverbindungen interpretiert. Unabhängig von der genutzten Zwischenlagentemperatur lag für die LTT-Stumpfstoßverbindungen vor allem in Longitudinalrichtung nur eine geringe Schrumpfbehinderung während der martensitischen Phasenumwandlung vor. Dadurch wurden während der Abkühlung vor allem im Volumen Druckspannungen in Longitudinalrichtung aufgebaut. Der Eigenspannungszustand von LTT-Verbindungen wird darüber hinaus durch inhomogene Phasenumwandlung der Schweißnaht infolge von Konzentrationsunterschieden verschiedener Elemente im Schweißgut bestimmt.
Wasserstoff kann in Überlagerung mit Beanspruchungen zu einem unerwarteten Werkstoffversagen in höherfesten Stählen führen (wasserstoffunterstützte Schädigung von Metallen, starke Abnahme des Verformungsvermögens). In der Schweißtechnik besteht die Gefahr der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung. Die Aufnahme von Wasserstoff während des Schweißens lässt sich gänzlich nicht verhindern. Höherfeste Feinkornbaustähle um 700 MPa werden zunehmend mit unterschiedlichen Legierungskonzepten und Herstellungsrouten produziert. Diese Unterschiede erzeugen ein differentes Gefüge und Aussscheidungscharakteristik bei nominell ähnlichen Festigkeiten. Wichtige Vertreter sind der S690QL und der S700MC. Die Ergebnisse zeigen zum einen eine deutliche Abnahme der mechanisch-technologischen Gütewerte, zum anderen eine differente Degradation durch Wasserstoff. Signifikant ist die Abnahme der wahren Bruchdehnung bei bereits geringen Wasserstoffkonzentrationen unterhalb 4 ppm. Weiterhin wurde das Wasserstoffbindungsverhalten (Trapping) im Grundwerkstoff und im schweißsimulierten Gefüge untersucht. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede hinsichtlich der Bindungsenergie und des Fallencharakters. Die Resultate belegen, dass eine Reduzierung des eingebrachten Wasserstoffs unabdingbar ist für einen sicheren Betrieb geschweißter Komponenten aus höherfestem Feinkornbaustahl.
Höherfeste Feinkornbaustähle werden zunehmend in modernen Schweißkonstruktionen bspw. dem Mobilkranbau eingesetzt. Während der schweißtechnischen Verarbeitung sind für diese Stahlgüten aufgrund ihres speziellen Gefüges und relativ hohen Streckgrenzenverhältnisses engere Verfahrensgrenzen einzuhalten als bei Stählen mit niedrigerer Festigkeit. Zudem erfordert die Sicherheit höherfester Schweißverbindungen präzise Kenntnisse über die Höhe und Verteilung schweißbedingter Beanspruchungen, da diese die erreichbare Tragfähigkeit und Bauteilperformance sowie den wirtschaftlichen Einsatz beeinflussen. Geltende Fertigungsrichtlinien für Schweißkonstruktionen wurden vorrangig für niedrigfeste Güten erarbeitet und vernachlässigen reale Steifigkeits- und Wärmeableitungsbedingungen.
In dieser Arbeit wird deshalb der Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung in Schweißverbindungen typischer Vertreter höherfester Feinkornbaustähle (z.B. S960QL) systematisch untersucht. Zur Berücksichtigung äußerer Bauteilsteifigkeiten wurden die Proben in Nahtquerrichtung unter definierten realitätsnahen Einspanngraden in speziellen dreidimensional wirkenden Prüfanlagen mehrlagig geschweißt. Dabei ließen sich die resultierenden Kräfte und Spannungen multiaxial in-situ analysieren und ein deutlicher Einfluss der Wärmeführung auf den Kräfte- und Momentenhaushalt aufzeigen. Mittels statistischer Auswertung wurden wesentliche Aussagen für adaptierte Wärmeführungs- und Schweißparameter zur Beanspruchungsoptimierung entwickelt. Die Bewertung der Effekte und Interaktionen der Einflussfaktoren nach Wirkungsart und -ort gestattete zudem, Ansätze zur Berücksichtigung schweißbedingter Beanspruchungen bei der Auslegung höherfester Schweißkonstruktionen zu erarbeiten.
Wasserstoff kann in Überlagerung mit Beanspruchungen zu einem unerwarteten Werkstoffversagen in höherfesten Stählen führen (wasserstoffunterstützte Schädigung von Metallen, starke Abnahme des Verformungsvermögens). Hierbei besteht in der Schweißtechnik die Gefahr einer wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung. Der Fokus des Vortrags liegt auf das Wasserstoffbindungsverhalten (Trapping) im Grundwerkstoff und im schweißsimulierten Gefüge. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede hinsichtlich der Bindungsenergie und des Fallencharakters. Anhand dieser lassen sich Rückschlüsse ziehen über eine effektive Wärmebehandlung zur Wasserstoffreduktion im Gefüge. Das Ziel ist eine Reduzierung des Risikos einer wasserstoffunterstützten Rissbildung.