Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erhöhte Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen in der Windenergie durch Festwalzen

Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen an Tragstrukturen für Windenergieanlagen durch Festwalzen zu analysieren und zu quantifizieren. Als ein hoch automatisiertes Verfahren erlaubt das Festwalzen schnelle und gut kontrollierbare Nachbehandlungsprozesse, welche sich gut in der Fertigungskette der Tragstrukturen integrieren lassen.

Innerhalb dieses Projekts werden Ermüdungsversuche an unbehandelten und an gewalzten Schweißproben durchgeführt und die Ergebnisse gegenübergestellt. Die Versuche werden an herkömmlichem und an höherfestem Baustahl durchgeführt, um den Einfluss der Festigkeit zu quantifizieren. Basierend auf den Versuchsergebnissen werden mittels lokaler Ermüdungskonzepte die entsprechenden Lebensdauervorhersagemodelle entwickelt. Eine der wesentlichen Voraussetzungen für eine optimierte Lebensdauervorhersage von durch Festwalzen nachbehandelten Schweißnähten ist die lokal aufgelöste Kenntnis der induzierten Druckeigenspannungen. Deswegen werden alternative Methoden für die Messung von Eigenspannungstiefenverläufen qualifiziert. Die hierdurch ermittelten Eigenspannungsverläufe werden in die lokalen Ermüdungskonzepte integriert. Abschließend werden die Prozessparameter für die Anwendung des Festwalzens an den Schweißnähten optimiert und die Gültigkeitsgrenzen festgelegt, um die gewünschte Ermüdungsfestigkeit zu erreichen.

Die Ergebnisse dieses Vorhabens sind von großer Bedeutung für kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die an dem Herstellungsprozess und der Nachbehandlung der Schweißnähte direkt beteiligt sind. Weiterhin sind die Ergebnisse für viele KMU im Bereich der Metallindustrie, der Schweiß- und Fertigungstechnik sowie der Herstellung von Werkzeugmaschinen und Industrierobotern vorteilhaft. Als Subunternehmer und Lieferanten der großen Produzenten der Tragstrukturen können viele im oben genannten Bereichen spezialisierten KMU einen Beitrag in der Windindustriebranche leisten.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb des Forschungsprojekts wurde das Potenzial des hydrostatischen Festwalzens, ein im Maschinenbau bereits etabliertes Verfahren zur Steigerung der Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit metallischer Komponenten, als alternative Schweißnahtnachbehandlungsmethode untersucht.

Hierfür wurden für unterschiedliche Prozesseinstellgrößen des Festwalzprozesses Ermüdungsversuche durchgeführt und der Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit quantifiziert. Darauf basierend wurden Ermüdungsfestigkeitskurven entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass die Ermüdungsfestigkeit durch Festwalzen signifikant gesteigert werden kann. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zur Änderung der Geometrie-, Oberflächen- und Randzoneneigenschaften für die unterschiedlichen Versuchsserien durchgeführt. Durch die automatisierte Nachbehandlung mit konstantem Walzdruck konnten Druckeigenspannungen reproduzierbar induziert und die Randschichthärte erhöht werden. Die Untersuchungen zum Einfluss des Festwalzens auf die Geometrie mittels Linienlasersensors ermöglichten Rückschlüsse auf die Wirksamkeit des Festwalzens in Abhängigkeit der initialen Schweißnahtgeometrie. Abschließend konnten Empfehlungen zur Anwendung des Festwalzens an Schweißverbindungen abgeleitet werden.

Die Ergebnisse zeigen das große Potenzial des Festwalzens als automatisierte Nachbehandlungsmethode zur Steigerung der Lebensdauer ermüdungsbeanspruchter Schweißverbindungen, um eine ressourcenschonendere Auslegung von Stahlstrukturen zu ermöglichen. Aufgrund der Automatisierungsmöglichkeiten bietet sich eine industrielle Umsetzung innerhalb der Fertigungskette beispielsweise von Gründungsstrukturen der Offshore-Windenergieanlagen an. Von den damit einhergehenden Entwicklungsmaßnahmen sowie Maßnahmen zum Qualitätsmanagement profitieren vor allem kleine und mittlere Unternehmen. Des Weiteren können die Ergebnisse des Projekts von Ingenieurbüros in der Bemessung von Offshore-Windenergieanlagen berücksichtigt werden.