Thermische Fügetechnik

Die schweißtechnische Vorwärmung von Großstrukturen erfolgt traditionelle durch Verbrennung autogener Brenngase, was mit einem hohen Ressourcenverbrauch einhergeht. Die induktive Erwärmung zeichnet sich hingegen durch einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Reproduzierbarkeit und eine sichere Handhabung aus. Bei der Auslegung von Induktionsvorwärmeverfahren sind jedoch eine Vielzahl von Randbedingungen zu berücksichtigen. Zu den wesentlichen Merkmalen zählen die Leistungsparameter, die Anzahl der Induktoren sowie deren Anordnung und Manipulation. Es existieren verschiedene Induktorkonzepte, die unterschiedlichen Geometrien der Spulen und die Verwendung zusätzlicher Feldführungselemente einbeziehen. Die Auslegung einer induktiven Vorwärmeanlage kann auf Basis umfangreicher experimenteller Voruntersuchungen erfolgen. Alternativ ermöglicht die numerische Simulation die Analyse der grundlegenden elektromagnetischen Prozesse und der thermischen Struktureffekte, wodurch eine kosteneffiziente Vorauslegung im numerischen Modell realisiert werden kann.

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Unterwasserstahlbaustrukturen bspw. Offshore-Windenergieanlagen werden i.d.R. für eine Betriebsdauer von 20 bis 25 Jahren ausgelegt (Belastungen durch Wind, Wellen und Anlagenbetrieb überlagert mit dem Einfluss von Korrosion). Die Lebensdauer ist maßgeblich von den Ermüdungserscheinungen im Schweißnahtbereich abhängig und kann infolge einer Schweißnahtnachbehandlung mittels hochfrequenten Hämmerverfahren in den ermüdungskritischen Bereichen verlängert werden. Belastbare Daten zur sicheren Bemessung und zum Weiterbetrieb fehlen jedoch. Im Rahmen dieser Untersuchungen soll der Effekt einer nachträglich applizierten HFH/HFMI-Behandlung unter Berücksichtigung typischer Ermüdungs- und Korrosionsvorgänge kurz vor dem Ende der rechnerischen Lebensdauer untersucht und quantifiziert sowie die damit erweiterte Restnutzungsdauer abgeleitet werden.

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Der Einsatz von Schweißnahtnachbehandlungsverfahren ist für die Nutzbarmachung der Leichtbaupotentiale höherfester Werkstoffe an geschweißten Konstruktionen essenziell. Anders als im Maschinen- und Anlagenbau ist im bauaufsichtlich geregelten Bereich jedoch eine regulative Grundlage für den Einsatz entsprechender Verfahren notwendig. Vor diesem Hintergrund ermöglicht die DASt-Richtlinie 026 den Einsatz höherfrequenter Hämmerverfahren als Schweißnahtnachbehandlungsmethode.

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Beim Fügen von Aluminium kommt es zu Teils großen schweißbedingten Verzug der Baugruppen. Um den Verzug anschließend auszugleichen, kommen Richtprozesse wie z. B. das Flammrichten zum Einsatz. Bei Stahlkonstruktionen werden Glühfarben als Referenz genutzt, um die erforderlichen Temperaturen zum Erzielen des gewünschten Richteffekts abzuschätzen. Dies ist bei Aluminium nicht möglich, da sich keine Glühfarben im relevanten Temperaturbereich ausbilden. Das geplante berührungslose Temperaturüberwachungssystem, das in konventionelle Richtsysteme implementiert werden kann, ist eine Grundvoraussetzung zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit, der Zuverlässigkeit und des Mechanisierungsgrades beim Flammrichten von Aluminium, bietet damit die Möglichkeit zur Qualifizierung des Flammrichtprozesses und erweitert die Geschäftsfelder interessierter KMU.

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Windenergieanlagen sind dank der Energiewende aus der modernen Stromversorgung nicht mehr wegzudenken. Die Rotorlager bzw. Wälzlager stellen dabei eines der wichtigsten Bestandteile solcher Anlagen dar. Der Werkstoff, der hierbei zum Einsatz kommt, muss eine hohe Reinheit, Härte, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen, um die erforderliche Tragfähigkeit und eine möglichst lange Lebensdauer zu erreichen. Eine allgemeine Materialcharakterisierung mit Hinblick auf die oben genannten Eigenschaften ist der Hauptbestandteil dieses Projektes und wird nach den dafür vorgesehenen Normen durchgeführt. Zwecks der Belastungsuntersuchung wird zudem ein mechanisch-thermisch gekoppeltes Simulationsmodell erstellt. Dieses hilft bei der Ermittlung der Spannungsverteilung und somit bei der geometrischen Optimierung des Rotorlagers.

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Die Bedeutung von LNG und Wasserstoff als Treibstoff nimmt weltweit stark zu. Der Transport bzw. die Lagerung erfolgen häufig im flüssigen Zustand bei tiefkalten Temperaturen. Hierfür werden in der Regel kaltzähe und hochnickelhaltige Stähle verwendet. Durch die gesteigerten Anforderungen an die Tieftemperaturzähigkeit geraten die eingesetzten Werkstoffe an ihre Grenzen. Ein Lösungsansatz hierfür bietet die Nutzung neuartiger mittel- und hochmanganhaltiger Stähle. Es existieren jedoch derzeit keine zuverlässigen schweißtechnischen Verarbeitungsanweisungen, um diese Werkstoffe in die breite Anwendung für den wachsenden Markt bei Lagerung/Transport kryogener Rohstoffe zu bringen. Daher sollen im Rahmen dieses Projektes mittel- und hochmanganhaltige Stähle untersucht werden und Empfehlungen zu Verarbeitungsstrategien, zu modifizierten Zusatzwerkstoffen und zu Arbeitssicherheit erarbeitet werden.

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Mit der Entwicklung neuer Fertigungstechnologien ergeben sich für die Herstellung von Komponenten maritimer Systeme neue Perspektiven. Die additiven Fertigungstechnologien (englisch: Additive Manufacturing, kurz: AM) haben sich nicht nur aufgrund ihrer Fähigkeit, endkonturnahe Bauteile mit komplexer Geometrie herzustellen, rasant weiterentwickelt, sondern bieten verschiedene Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren im Bereich der individuellen Bauteilherstellung. Im Rahmen des laufenden Forschungsvorhabens ist neben der Entwicklung einer robotergestützten Bearbeitungszelle und des fertigungsgerechten Entwurfs der Schiffspropeller eine angepasste hybride Prozesskette zu entwickeln, so dass unter Sicherstellung hoher Fertigungsgenauigkeit und Fehlerfreiheit großformatige Bauteile additiv gefertigt werden können.

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Durch den stetigen Ausbau von Offshore-Windparks und anderen Offshore-Konstruktionen steigt auch der Bedarf nach Reparatur- bzw. Instandsetzungskonzepten. Eine Charakterisierung der Ermüdungsfestigkeit nass geschweißter Konstruktionsdetails ist von enormer Notwendigkeit, um zukünftig auch Ermüdungsnachweise für zyklisch beanspruchte Unterwasser-Reparaturschweißungen führen zu können. Sowohl OWEA-Betreiber als auch beauftragte Ingenieurbüros benötigen Kenntnisse über die möglichen Ergebnisse und Folgen einer schweißtechnischen Reparatur unterhalb der Wasserlinie. Eine direkte Einordnung der in diesem Forschungsprojekt gewonnenen Daten in die Kerbfallklassen des Eurocode 3 ermöglicht somit eine Restbetriebsdauerberechnung für den Reparaturfall.

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Im Stahlbau ist das Fügen langer Stöße mittels MSG-Schweißen ein arbeits- und zeitintensiver Fertigungsschritt. Häufig werden hierbei mobile Schweißfahrwerke eingesetzt, mit dem Ziel einer Steigerung der Produktivität bei reproduzierbar hoher Nahtqualität. In der Praxis treten jedoch häufig Schweißnahtfehler und Prozessinstabilitäten aus unterschiedlichen Gründen, z.B. variierende Nahtvorbereitung, auf. Ziel ist es daher, einen Algorithmus sowie Regelsystem zu entwickeln, welches Prozessinstabilitäten beim mechanisierten MSG-Schweißen vor ihrer Entstehung erkennt und verhindert. Hierzu soll ein Prognosemodell entwickelt werden, welches als Führungsgröße einer nachgelagerten Regelung dient.

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In dem Forschungsvorhaben wird die Einsatzmöglichkeit der Induktionstechnologie zur Vor- bzw. Nachwärmung beim nassen Lichtbogenhandschweißen untersucht. Durch den medialen Einfluss treten hohe Wasserstoffeinträge und aufgrund der starken Konvektion hohe Abkühlraten nach dem Schweißen auf. Infolge dessen können kritische Werkstoffeigenschaften sowie Risse resultieren. Die effektive Energieeinbringung mittels Induktion soll zur praxistauglichen Kompensierung unterwasserspezifischer Risiken beim nassen Schweißen genutzt und somit auch das sichere Fügen hochfester Stähle ermöglicht werden. Dies ist zur ökonomischen und qualitätsgerechten Reparatur von Strukturen im Stahlwasserbau erforderlich. Es werden Anwendungsrichtlinien zum Einsatz der Induktionswärmetechnik erarbeitet.

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Die schweißtechnische Verarbeitung dickwandiger Bleche (ab t=25mm) ist bei vielen Konstruktionen im maritimen Bereich in Zwangslagen und unter Baustellenbedingungen notwendig. Das Elektroschlacke-Kanalschweißen ist prädestiniert für Baustellenschweißaufgaben in Steignahtposition und aufgrund der einlagigen Ausführung besonders wirtschaftlich und verzugsarm. Aufgrund fehlender Anlagentechnik und ungenügendem metallurgischen Verständnis wird es jedoch kaum eingesetzt. Ziel ist es daher, eine mobile ES-Kanalschweißanlage für den Einsatz großer Blechstärken an Stumpf- und T-Stößen zu entwickeln, sowie die Anlagentechnik, Schweißtechnologie und Schweißmetallurgie des ES-Kanalschweißens an die europäischen Fertigungsrandbedingungen anzupassen.

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In vielen Branchen des Stahlbaus besteht die Notwendigkeit, Anbauteile ohne primär tragende Funktion an schwingend beanspruchte Konstruktionen anzuschweißen, was zu geometrischen und metallurgischen Kerben führt und Einfluss auf die Lebensdauer sowie Bemessung in Hinblick auf Materialstärke und den Einsatz hochfester Stähle hat. In dem Projekt wurde untersucht, ob das aus der Feinblechverarbeitung bekannte Lichtbogenlöten mit Kupferbasisloten zur Substitution von Schweißprozessen im Stahlbau geeignet ist unter besonderer Berücksichtigung der Schwingfestigkeit und statischen Beanspruchbarkeit. Die umfangreichen experimentellen und numerischen Untersuchungen zeigen, dass durch den Einsatz des Lichtbogenlötens zum Fügen von Anbauteilen die Lebensdauer der Gesamtkonstruktion um bis zu 500 % ohne Schweißnahtnachbehandlungsaufwand verlängert werden kann. Dadurch können am Beispiel eines Stahlrohrturmes für Windenergieanlagen bis zu 50t Gewicht eingespart werden ohne die statische Tragfähigkeit der Anbauteile zu reduzieren.

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