Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Beanspruchungsgerechte Reparatur von Schweißverbindungen bei der Fertigung von Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen

 

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.

Ergebniszusammenfassung:

Wesentliches Ergebnis ist die Ermittlung des Einflusses von Ausfugen und Reparaturschweißen auf die schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügedegradationen in hochfesten Schweißnähten. Mittels umfangreicher Analysen konnten vertiefte Erkenntnisse zur Interaktion zwischen Ausfugeprozess, Wärmeführung beim Schweißen, eingesetztem Werkstoff und Einspannbedingungen der Schweißnähte mit dem Eigenspannungszustand sowie den Schweißnahtgefügen erarbeitet werden. Hierzu ließen sich durch experimentelle Untersuchungen anhand der Probendimensionen und Versuchsanordnungen praxis-/realitätsnahe Einspann- und Wärmeableitungsbedingungen mit Fokus auf das vielfach im Stahlbau eingesetzte Kohlelichtbogen-Fugenhobeln sowie MAG-Schweißen abbilden.

Es wurden wissenschaftlich fundierte Aussagen zu Reparaturkonzepten für hochfeste Schweißkonstruktionen, wie im Mobilkran- und Windenergieanlagenbau abgeleitet und adäquate Verfahrens- und Wärmeführungsparameter gefunden, die unter Berücksichtigung konstruktiver Aspekte den geforderten Nahteigenschaften bei minimalem Beanspruchungsniveau Rechnung tragen. Die bisher geringe Kenntnis über Auswirkungen von Reparaturschweißungen auf die Performance hochfester geschweißter Bauteile und über die maximale Reparaturzyklenanzahl hinsichtlich der Eigenschaftsdegradation wurde wesentlich ausgebaut. Damit wird den stahlverarbeitenden Unternehmen ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, um fundierte Entscheidungen über Form und Umfang einer Reparatur bei Defekten zu treffen, die in der Fertigung bzw. Bauteilmontage auftreten.

Die erzielten Ergebnisse wurden in entsprechenden Normungsgremien vorgestellt. Dies wird nach der Projektlaufzeit intensiv weiterverfolgt, damit die Erkenntnisse in die jeweiligen Regelwerke und Verarbeitungsrichtlinien einfließen. So profitieren gerade KMU von einer kostenoptimierten, beanspruchungsgerechten Verarbeitung/Reparatur, sicheren Herstellung und einfachen, präzisen Auslegung hochfester Schweißkonstruktionen.