CMT-Bericht 41/2020: Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen bei Minusgraden (ESM-50)

Technische Universität Hamburg – Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen
Prof. DSc. (Tech.) Sören Ehlers, M.Sc. Moritz Braun

Center of Maritime Technologies e.V.
Dipl.-Ing. Matthias Krause, Dr.-Ing. Wibke Mayland

Das im Folgenden dargestellte Forschungsprojekt „Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen bei Minusgraden (Fatigue strength of welded structures at sub-zero temperatures)” wurde gefördert von der gemeinnützigen Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V. Zweck der Stiftung ist die Förderung der Forschung auf dem Gebiet der Stahlverarbeitung und –anwendung in der Bundesrepublik Deutschland. Geprüft wurde das Forschungsvorhaben von einem Gutachtergremium der Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.V. (AVIF), das sich aus Sachverständigen der Stahl anwendenden Industrie und der Wissenschaft zusammensetzt.
Begleitet wurde das Projekt von einem Arbeitskreis des Verbandes für Schiffbau und Meerestechnik e.V. (VSM).

Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org

Zusammenfassung

Seit Jahren werden Seefahrtsrouten für die Handelsschifffahrt gen Norden in arktischen Gebieten verlegt, sowie Ölplattformen und Windenergieanlagen in Gebieten errichtet, in denen saisonal Minusgrade herrschen. Diese Strukturen und ihre Werkstoffe müssen entsprechend gestaltet sein, damit sie den extremen Umweltanforderungen genügen. Hierfür soll die Anwendbarkeit von höherfestem Stahl, aufgrund seiner nachzuweisenden Eigenschaften unter Minusgraden, aufgezeigt werden. Obwohl bekannt ist, dass sich mit sinkenden Temperaturen die Werkstoffeigenschaften von Stahl und deren Schweißverbindungen ändern, sind die dabei auftretenden Effekte bisher nur wenig erforscht, weswegen große Teile maritimer Strukturen oftmals noch aus normalfestem Stahl gefertigt werden. Bei sorgfältiger Beachtung der Einsatzkriterien, der Fertigungsabläufe sowie der Weiterentwicklung bestehender Bauvorschriften für maritime Strukturen könnte die Anwendung höherfester Stähle erhebliche Vorteile bieten und folglich der Absatz der hiesigen Industrie gesteigert werden. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es die Anwendbarkeit von höherfestem Stahl in ermüdungsfestigkeitsrelevanten Bereichen nachzuweisen und somit dessen Streckgrenze konstruktiv besser ausschöpfen zu können. Hierfür soll das Verhalten von Grundwerkstoffen und üblichen Schweißverbindungen an höherfesten Stählen bis minus 50°C inklusive der Ermittlung von Wöhlerkennlinien experimentell und rechnergestützt ermittelt werden. Anhand dessen sollen Auslegungskonzepte von betriebsfest zu bemessenden Schweißverbindungen für Schiffbau- und Offshore-Strukturen entstehen. Um das Gesamtziel zu erreichen, wurden folgende Teilaufgaben bearbeitet: 1. Ermittlung des statischen und dynamischen Werkstoffverhaltens bei unterschiedlichen Temperaturen von Raumtemperatur bis -50°C für verschiedene Stahlfestigkeiten 2. Rechnerische Ermittlung des Werkstoffverhaltens auf Basis der Versuche 3. Überprüfung und Erweiterung aktueller Auslegungskonzepte von Schweißverbindungen für Minusgrade. Diese Teilaufgaben bilden die Grundlagen zur Ermittlung und Bewertung des Werkstoffverhaltens bei Minusgraden. Der Erkenntnisgewinn über das Ermüdungsverhalten von geschweißten Strukturen verschiedener Stahlfestigkeiten unter extremer Kälteeinwirkung ist maßgeblich sowohl für deren vermehrten Einsatz als auch für zukünftige Entwicklungen neuer Stähle unter Minusgraden. Nach Abschluss des Vorhabens soll, in Absprache mit der beteiligten Klassifikationsgesellschaft, die Basis für die Zulassung von Stählen und Verbindungen unter extremen Bedingungen erweitert werden. Dies betrifft entsprechende Betriebsfestigkeitsklassen von Details wie auch die Auslegungskonzepte im Allgemeinen für schiffbauliche Konstruktionen. Darüber hinaus ist der Erkenntnisgewinn in alle konstruktiven Bereiche transferierbar. Obwohl kritische Schweißdetails in großen Schweißkonstruktionen meistens Kehlnähte sind, konzentrieren sich die meisten veröffentlichten Studien auf die Ermittlung von Ermüdungsrisswachstumsraten mittels aus Stumpfstoßschweißverbindungen entnommen Proben. Insbesondere Daten wie Wöhlerlinien bei Temperaturen bei Minusgraden sind rar. Neben Stumpfschweißverbindungen werden im Rahmen dieser Studie auch Proben mit Kehlnähten bei -20 °C und -50 °C gegen Kontrollen bei Raumtemperatur getestet. Eine signifikant höhere Schwingfestigkeit, selbst bei Temperaturen, die weit unter der zulässigen Betriebstemperatur, basierend auf den Ergebnissen aus Bruchzähigkeitstests, liegen, wurde im Vergleich zu empirischen Formeln aus internationalen Standards ermittelt. Zusammenfassend wurde ein hoher Anstieg der Dauerfestigkeit bei -50 °C für Kreuzstoßproben festgestellt, mit einem Anstieg von etwa 20% für die normalfesten S235J2+N und 25% für den hochfesten Stahl S500G1+M im Vergleich zu den Ergebnissen bei Raumtemperatur. Im Gegensatz dazu zeigten die Quersteifenproben bei dieser Temperatur einen Anstieg von etwa 12% für den S235J2+N und 6% für den S500G1+M Stahl. Die Zunahme der mittleren Schwingfestigkeit der Stumpfschweißverbindungen hängt maßgeblich vom gewählten Anstieg zur Bestimmung der Wöhlerlinie ab und liegt je nach Stahlsorte und Anstieg von k = 3 und k = 5 zwischen 2% und 11%. Es ist jedoch anzumerken, dass die Schwingfestigkeit der Stumpfstöße bereits bei Raumtemperatur die Bemessungswerte deutlich überschreitet und aufgrund der größeren Streuung der Testergebnisse eine Schätzung der erhöhten Schwingfestigkeit für dieses Schweißdetail schwieriger ist. Die S500G1+M Stumpfstöße überschreiten die Entwurfskurve bereits bei Raumtemperatur um ca. 100% und bei -50 °C um ca. 150%. Bei der Bewertung aller durch die entsprechenden Bemessungskurven normalisierten Schwingfestigkeitsversuche, wird bei allen Prüftemperaturen eine deutlich höhere Schwingfestigkeit im Vergleich zu Bemessungswerten beobachtet. Die Erhöhung der Schwingfestigkeit der getesteten Schweißdetails liegt für beide Stähle, mit Ausnahme der S500G1+M Stumpfstöße, in der gleichen Größenordnung. Hervorzuheben ist, dass für den normalfesten Stahl mit einer nominalen niedrigsten Auslegungstemperatur von -20 °C selbst bei einer Prüftemperatur von -50 °C keine Abnahme der Schwingfestigkeit festgestellt wurde. Folglich wird angenommen, dass Schweißverbindungen aus normalfestem Stahl auch bei Temperaturen von bis zu -50 °C aus Schwingfestigkeitssicht sicher sind. Basierend auf der Kerbschlagbiege- und der Bruchzähigkeitversuchen wird für das geschweißte Material der S235J2+N -Stumpfstöße ein Übergang zum Sprödbruchverhalten bei einer Ermüdungsprüftemperatur von – 50 °C erwartet. Dies scheint das Schwingfestigkeitsverhalten unterhalb der gemessenen Übergangstemperatur zwischen duktil und spröde jedoch nicht zu beeinflussen. Im Allgemeinen weisen Schweißverbindungen, die durch Lichtbogenschweißen mit Fülldraht hergestellt werden, eine geringe Bruchzähigkeit in der Mitte der Schweißzone auf. Ermüdungsrisse treten jedoch normalerweise in der Wärmeeinflusszone und nicht im Schweißgut auf, so dass im Schwingfestigkeitsversuch keine Verringerung der Ermüdungsfestigkeit erwartet wird. Bei großen geschweißten Strukturen kann dies jedoch zu einem Sprödbruch der Struktur führen, wenn der Riss entlang einer Schweißnaht durch das Schweißgut verläuft. Durch die Auswahl geeigneter Materialien und Schweißverfahren werden bessere Ermüdungs- und Bruchzähigkeitseigenschaften als erforderlich erzielt, was die Sicherheit von Schiffen und Offshore- Strukturen gegen Sprödbruch und Ermüdungsversagen erhöht. Um die Schwingfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen für Umgebungen mit Minusgraden zu ermöglichen, wurden sechs verschiedene Methoden analysiert. Mit Ausnahme des Spannungsmittelungsansatzes, der voraussichtlich Temperatureffekte auf die Schwingfestigkeit über die Mikrostützwirkung des Materials abdecken kann, müssen alle anderen Methoden auf Korrekturfaktoren für Temperaturen zurückgreifen. Gegenwärtig ist die Anwendung des Spannungsmittelungsansatzes oder anderer effektiver Spannungsmethoden zur allgemeinen Beurteilung von Schweißverbindungen bei Minusgraden aufgrund einiger allgemeiner Fragen zur Vergleichbarkeit verschiedener effektiver Spannungsmethoden und aufgrund der Tatsache, dass Probleme der Bewertung schwach gekerbter Schweißdetails auftreten, noch nicht geeignet. Das größte Hindernis ist jedoch die erforderliche große Anzahl von Testdaten, um die Methode für bestimmte Anwendungsfälle zu kalibrieren. Im Allgemeinen wird für die meisten lokalen spannungsbasierten Nachweiskonzepte der Schwingfestigkeit, mit Ausnahme der Spannungsextrapolation im Falle eines Versagens der Schweißnahtwurzel, eine gute Übereinstimmung zwischen der experimentellen und prognostizierten Lebensdauer erzielt, während für das Nennspannungskonzept eine signifikant höhere Abweichung ermittelt wurde. Interessanterweise wird auch bei der Methode der gemittelten Formänderungsenergiedichte bei Rissen am Nahtübergang eine hohe Abweichung festgestellt.

CMT-Bericht 38/2018: Faserverbundwerkstoff-und-Stahl-Standard Verbindung (FAUSST)

SLV Mecklenburg-Vorpommern
Dr. Rigo Peters

Center of Maritime Technologies e.V.
Dr. Lars Molter, Dr. Rafael Luterbacher Mus, Juliane Jahnke, BSc

Das IGF-Vorhaben 18785 BG des Center of Maritime Technologies e.V. (CMT) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org

Zusammenfassung

Leichtbau bewegter Strukturen vereint zahlreiche Vorteile: Je kleiner das beschleunigte und transportierte Eigengewicht, desto kleiner ist der Treibstoffverbrauch, desto besser ist die CO₂-Bilanz und desto geringer sind die Transportkosten. Manche Anwendungsfälle haben die Erhöhung der Nutzlast oder der Reichweite zum Ziel. Weiterhin wirkt sich leichteres Leergewicht oft in Form sogenannter Knock-on-Effekte aus, die etwa dazu führen, dass kleinere Motoren benutzt werden können und so wiederum Gewicht eingespart wird. Zwei verschiedene Vorgehen existieren für die Reduzierung des Gewichtes. Einerseits die Anwendung von Leichtbaudesignprinzipien, wie zum Beispiel Rippenstrukturen, und anderseits die Materialsubstitution von Stahl durch Verbundwerkstoffe. Die Luft- und Raumfahrt ist in der Materialsubstitution führend. Während Aluminiumlegierungen bei den in den 80er-Jahren entwickelten Airbus A320 circa 65 % des Strukturgewichtes ausmachten, liegt dieser Anteil beim A350 nur noch bei 20 %. Im Gegensatz dazu ist der Anteil von Verbundwerkstoffen von 13 % auf 53 % gestiegen. Dieser Trend zur Mischbauweise und die vermehrte Applikation von faserverstärkten Kunstoffen (FVK) lassen sich auch im Schienenfahrzeugbau oder Automobilbau erkennen. An der kommerziellen Schifffahrt scheint der Trend zu Leichtbau und Materialsubstitution vorbei zu gehen. Dabei ist die Schifffahrt für circa 4,5 % der globalen Treibhausgas-Emissionen verantwortlich. Im Wesentlichen sind Containerschiffe, Tanker und Kreuzfahrtschiffe generell aus Stahl gebaut und werden aus einzelnen Strukturen zusammengeschweißt. Dies ist insoweit überraschend, als der Boots- und Yachtbau ein Pionier in der Anwendung von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen in der industriellen Fertigung war. So wird heutzutage die im Bootsbau entwickelte Fertigungstechnologie Scrimp (Seemann Composite Resin Infusion Process) abgewandelt in der Produktion der Druckkalotte des Airbus A380 verwendet. Im militärischen Bereich lassen sich ebenfalls verschiedene Anwendungen finden, zum Beispiel die Visby-Klasse der schwedi­schen Marine, in denen erfolgreich FVK-Konzepte umgesetzt und damit die Machbarkeit vom Einsatz neuer Materialien im Schiffbau nachgewiesen wurde.

Trotz dieser Vorteile werden FVK im Schiffbau aus drei wesentlichen Gründen nicht angewendet: (1) Schiffe sind sehr kom­plexe Bauvorhaben im Volumen von 400 bis 800 Millionen Euro im Falle von Kreuzfahrtschiffen. In der Branche sind hohe Konventionalstrafen Standard, sodass Auslieferungsverspätungen hohe Kosten zur Folge haben. Bei den hergestellten Schiffen handelt es sich im Allgemeinen um Einzelstücke, sodass jede Neuentwick­lung mit dem Schiff finanziert werden muss. Die Normenlage ist strikt und konserva­tiv. So werden die auf internationalem Wasser fahrenden Schiffe nach der IMO-Rege­lung „Safety of life at seas (Solas)“ Regel ausgelegt. Bis vor kurzem waren als einzige Strukturmaterialien aus Feuerschutzgrün­den Stahl und Aluminium vorgesehen, jedoch wurde diese Normenlage in den letz­ten Jahren aufgeweicht, sodass nun ebenfalls FVK eingesetzt werden kann, solange äqui­valente Sicherheit gezeigt wird.

Mischbauweise ist die Zukunft des Schiffbaus, da es aus technischen und wirtschaftlichen Gründen wenig Sinn macht, die gesamte Stahlstruktur durch FVK zu ersetzen. Daher ist die Fügetechnik von größter Bedeutung. Die gängigen Fügemethoden für Metall und FVK sind Kleben oder mechanische Verbindungen. Diese können jedoch nicht eins zu eins auf den Schiffbau übertragen werden, wo die bevorzugte Verbindungs­technik Schweißen ist.

Um eine schiffbaugerechte Verbindung zu entwickeln, wurde das geförderte Forschungsprojekt FAUSST (Faser und Stahl Stan­dard Verbinder) von der Schweißtech­nischen Lehr- und Versuchsanstalt Meck­lenburg-Vorpommern (SLV) und dem Center of Maritime Technologies (CMT) ins Leben geru­fen. Das Ziel ist es eine Verbindung zwischen FVK und Stahl herzustellen, welche einer­seits den Schiffbaunormen entspricht und anderseits keine speziellen Fertigungsschritte auf der Werft mit sich führt.

Die entwickelte Verbindung wird den Ansprüchen der Schiffbau- und der FVK-Technik gerecht. Der FAUSST-Verbinder besteht aus einem metallischen Anschlussele­ment, zum Beispiel einem Flacheisen, an das eine oder mehrere hybride Gewirke ange­schweißt werden. Diese hybriden Textilien können via Laminieren in den FVK-Herstel­lungsprozess integriert werden. Nach dem Aushärten erhält man ein mit einem Stahl­flansch gesäumtes FVK-Bauteil. Dieser Stahl­flansch kann dann mit gängigen schiffbau­technischen Methoden an die Stahlstruktur angepasst und gefügt werden.

CMT-Bericht 37/2018: Werkstoff- und verfahrenstechnische Optimierung kavitationserosionsbeständiger Beschichtungen an Schiffsrudern mittels Kaltgasspritzen (WoBeKa)

Helmut-Schmidt-Universität – Universität der Bundeswehr Hamburg – Institut für Werkstofftechnik
Prof. Dr.-Ing. Thomas Klassen, Dr. rer. nat. Frank Gärtner, Dipl.-Wi.-Ing. Sebastian Krebs

Fraunhofer-Einrichtung Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP, Rostock
Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael Henkel, M.Sc. Michel Hauer

Das IGF-Vorhaben 18449 BG der Forschungsvereinigung Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org

Zusammenfassung

Am Schiffsrumpf und insbesondere am Schiffsruder auftretende Kavitationserscheinungen setzen Wirkungsgrad, Sicherheit und Effizienz von schnell fahrenden Seeschiffen herab. Auftretende dynamische Druckschwankungen durch Ruderbewegungen bei Kursänderungen oder achterlicher See lassen sich auch unter der Optimierung hydrodynamischer Eigenschaften nicht verhindern. Lokale Druckschwankungen sind hinreichend groß, um Kavitation, d.h. die Bildung und Implosion von Dampfblasen auszulösen. Die zyklische Belastung führt langfristig zu Materialermüdung und lokalem Abtrag aus der Oberfläche. Neben dieser Kavitationserosion bewirken vorbeiströmende Sedimente zusätzlichen Abrieb, und eine auftretende Seewasserkorrosion führt zu weiterer Schädigung der Schiffsoberfläche. Das komplexe Verschleißsystem wird demnach durch Mechanismen der Oberflächenzerrüttung und tribochemischer Reaktionen charakterisiert.

Die Beseitigung der Folgen dieses tribologischen Systems im Ruder- und Achterschiffsbereich stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. In der Schiffsentwurfsphase werden moderne Simulationsverfahren eingesetzt und deren Ergebnisse in Modellversuchen im Kavitationstunnel und Schlepptank validiert. Die Bereiche der Kavitationsgefährdung können somit gut ermittelt werden. In der Praxis werden die Schiffe trotzdem alle 5-7 Jahre gedockt, um die aufgetretenen Schäden aufwendig durch Auftragsschweißen und Schleifarbeiten zu beseitigen. Bei großvolumigen Ruderanlagen im Schiffbau bzw. im Achterschiffsbereich wurde das thermische Spritzen bisher nicht eingesetzt. Die Zielsetzung des Projekts bestand daher in der Entwicklung eines Verfahrens zum vollständigen oder partiellen Beschichten durch Kaltgasspritzen oder thermisches Spritzen mittels beständigen Materialien auf Ruderanlagen- und umgebende Achterschiffsbereiche.

Aus den exzellenten Resultaten des Vorgängerprojekts BESOMA (IGF-Nr. 17135 BG) ergaben sich, angeregt durch den projektbegleitenden Ausschuss, vielversprechende Ideen. Zum einen sollten der Einsatz von duktileren Bronzen und eine optimale thermische Nachbehandlung der Schichten die Kavitationsbeständigkeit verbessern. Im Rahmen von WOBEKA konnte nun nachgewiesen werden, dass z.B. mit kaltgasgespritzten Mn-Bronzen Kavitationsbeständigkeiten ähnlich zu denen der massiven Propellerbronze eingestellt werden können, allerdings unter kostenintensiver Verwendung von Helium als Prozessgas. Die Verarbeitung weicherer Bronzen resultiert zwar in Bezug auf entsprechendes Massivmaterial in sehr guten Schichteigenschaften. Jedoch sind entsprechende Werkstoffe a priori zu weich, um den geforderten Kavitationsschutz zu bieten. Im Gegensatz dazu erwies sich eine thermische Nachbehandlung der relativ harten NiAl-Bronzeschichten als adäquates Mittel, um Defekte der kaltgasgespritzten Schichten auszuheilen und massivmaterialähnliche Kavitationsbeständigkeiten einzustellen. Ein weiterer Schwerpunkt betraf den Einsatz weiterer Spritzverfahren als Alternativen zum Kaltgasspritzen wie das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF), das hieraus abgeleitete und sogenannte Warm-Spritzen als auch das Lichtbogenspritzen. Mittels Warmspritzens konnten für NiAl-Bronzeschichten ähnliche Eigenschaften im Vergleich zum Massivmaterial eingestellt werden. Entsprechend der Expositionszeiten des teils oder ganz aufgeschmolzen Beschichtungsmaterials gegenüber atmosphärischem Sauerstoff werden die Qualitäten der durch HVOF-Spritzen oder Lichtbogenspritzen hergestellten Schichten durch eingebaute Oxide beeinträchtigt, dank Prozessoptimierung jedoch weniger stark als erwartet. Durch Lichtbogenspritzen oder HVOF-Spritzen aufgetragene NiAl-Bronzeschichten erreichen eine 13-30 bessere Kavitationsbeständigkeit als der bisherig verwendete Ruderwerkstoff Stahl GLA.

Ein Problem im Vorgängerprojekt BESOMA bestand darin, dass dickere Schichten in Folge der Eigenspannungen vom Substrat abplatzten – einige davon erst im Langzeitkavitationstest. Entsprechend wurde ein zusätzlicher Fokus in WOBEKA auf das komplexe Wechselspiel zwischen internen Spannungen und externen Lasten unter dem Kavitationsangriff sowie der Auswirkungen auf die Adhäsion gelegt. Dabei wurde nachgewiesen, dass für das Lichtbogenspritzen Eigenspannungen die Kavitationserosionsbeständigkeit deutlich beeinträchtigen können. Diese Eigenspannungen konnten jedoch beispielweise durch den Einsatz alternativer Zerstäubergase oder die Anpassung der Roboterkinematik stark verringert werden.

Im Lauf des Projekts wurden umfangreiche Kenntnisse zu verschiedensten Spritzverfahren und deren bestimmenden Einflussfaktoren bezüglich der Schichteigenschaften gewonnen. Hierdurch ist es nun möglich, Spritzschichten herzustellen, welche in Bezug auf die Kavitationserosionsbeständigkeit ähnliche Qualitäten wie entsprechendes Massivmaterial erreichen. Alternativ erweist sich das Lichtbogenspritzten als Kompromiss aus soliden Schichteigenschaften und exzellenter Handhabbarkeit. Die Ergebnisse des Projekts sollen in ein DVS-Merkblatt überführt werden, um einen Transfer in die Praxis zu gewährleisten.

CMT-Bericht 36/2017: Einbeziehung geklebter Fensterbänder und Glasfronten in die Festigkeit von Schiffen (Fensterband)

Technische Universität Hamburg – Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen
Prof. DSc. (Tech.) Sören Ehlers, Dr.-Ing. Bjarne Wiegard (geb. Gerlach)

Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, Bremen
Prof. Dr. Bernd Mayer, Dr.-Ing. Oliver Klapp, Dr.-Ing. Bernhard Schneider

Das IGF-Vorhaben 18465 N des Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org

Zusammenfassung

Große Fenster, Fensterbänder und Glasfronten sind für das Design von Passagierschiffen und Me-gayachten bedeutend. Die Auslegung der Fensterscheiben erfolgt entsprechend dem lateralen Entwurfsdruck. In den Festigkeitsberechnungen zur Schiffsstruktur werden die zumeist eingeklebten Glasscheiben aber in der Regel außer Acht gelassen. Es wird angenommen, dass dieses Vorgehen zu konservativen Ergebnissen führt. Die Klebverbindung wird häufig in Abhängigkeit der Fensterabmessungen festgelegt.

In diesem Vorhaben wurde auf Basis von umfassenden experimentellen und numerischen Untersuchungen eine Prozedur für die Einbeziehung der geklebten Fensterscheiben in die Berechnung der Strukturfestigkeit erarbeitet. Dazu wurden auslegungsrelevante Kennwerte für Klebstoffe und Klebverbindungen, die das Verhalten unter quasi-statischer und schwingender Belastung bei betriebsrelevanten Temperaturen und medialen Umgebungsbedingungen beschreiben, umfassend ermittelt. Diese Kennwerte wurden zusätzlich zur Veröffentlichung in diesem Bericht in einer Datenbank archiviert und stehen zukünftigen Anwendungen zur Verfügung. Außerdem wurden Methoden erarbeitet, wie die geklebten Fenster in FE-Globalmodelle von Schiffen integriert werden können und wie die Spannungen in der Schiffsstruktur und in der Klebverbindung analysiert werden können. Dieses ist eine komplexe Aufgabe, da die FE-Globalmodelle in der Regel grob vernetzt werden, das heißt die Elementkantenlängen betragen nicht selten einen Meter oder mehr. Andererseits haben die Klebeverbindungen an sich kleine Abmessungen und es ist zudem eine feine Vernetzung mit Volumenelementen erforderlich, um die Steifigkeit der Verbindung korrekt abzubilden. Dieses Problem kann entweder durch eine vereinfachte Modellierung der Fenster oder durch Anwendung der Substruktur-Technik gelöst werden. Beide Methoden haben gemeinsam, dass ein detailliertes FE-Modell der Fensterkonstruktion samt umgebener Schiffsstruktur erstellt werden muss. Damit wird dann entweder das vereinfachte Modell oder die Substruktur generiert. Nach der Berechnung der relevanten Entwurfslastfälle mit dem Globalmodell, erfolgt dann in beiden Fällen die Analyse der Belastungen wieder mit dem detaillierten FE-Modell. Die Bewertung der Analyseergebnisse erfolgt im Falle der Schiffsstruktur anhand der Regelwerke der Klassifikationsgesellschaften. Für die Bewertung der Klebstoffbeanspruchung wurden zulässige Werte aus den Versuchen mit den Klebstoffen abgeleitet.

Zudem wurde das Zusammenwirken der Fensterscheiben mit der Schiffstruktur numerisch an Bei-spielschiffen und experimentell an Versuchsmodellen im Originalmaßstab und mit bauteilähnlichen Laborproben, die eine Scheibenklebung bestehend aus Klebschicht und Sichtfuge repräsentieren, untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die eingeklebten Fensterscheiben insbesondere die Schubsteifigkeit lokal erhöhen und es dadurch zu einer Abnahme der Scherung der betreffenden Wände kommt. Die Zunahme der Schubsteifigkeit ist gleichermaßen auf die Wirkung der Klebschicht und auf die Stützwirkung der Sichtfuge zurückzuführen. Dadurch kann es zu einer Reduktion der Spannungen in der Metallstruktur beim Übergang von z.B. Fensterbändern zu schubsteiferen Strukturbereichen, das heißt zu einer Schiffsstruktur ohne Öffnungen, kommen. An den schlanken Stützen innerhalb eines Fensterbandes werden die Spannungen jedoch häufig und zum Teil erheblich erhöht. Dieses ist eine wichtige Erkenntnis, da bisher von einer generell positiven Wirkung der eingeklebten Fensterscheiben ausgegangen wurde. Die Mechanismen, die die Spannungszunahme hervorrufen, werden in diesem Bericht erläutert. Des Weiteren werden Empfehlungen gegeben, durch welche Maßnahmen diese Spannungen reduziert werden können. In diesem Zusammenhang ist das dritte Versuchsmodell hervorzuheben, dessen innovative Konstruktion zu einer Steigerung der Betriebsfestigkeit der Metallstruktur führen kann.

Neben den elastischen Schubversuchen, die zur Ermittlung des Zusammenwirkens von Schiffstruktur und Fensterscheiben und gleichzeitig zur Validierung der FE-Modelle durchgeführt wurden, wurden in Traglastversuchen die Tragfähigkeit bei Schubbelastung und die jeweiligen Versagensmechanismen der Konstruktionen ermittelt.

CMT-Bericht 35/2016: Rissfortschrittsuntersuchungen an Längssteifen zur Validierung der IBESS-Prozedur (IBESS)

Technische Universität Hamburg – Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Fricke, Prof. DSc. (Tech.) Sören Ehlers, Dipl.-Ing. Didi Deflor Tchuindjang

Das IGF-Vorhaben 17519 N Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org

Zusammenfassung

Im Forschungsclusterprojekt IBESS, welches aus acht Forschungspartnern bestand, wurde die IBESS-Prozedur zur Integralen Bruchmechanischen Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen (IBESS) entwickelt. Im vorliegenden Teilprojekt A4 an der TUHH wurden Arbeiten mit Blick auf die Validierung der IBESS-Prozedur an einer komplexen und bauteilähnlichen Geometrie der Längssteife durchführt.

Die untersuchten Längssteifen bestanden aus dem Werkstoff S355 NL. Zur Untersuchung des Einflusses der Nahtgeometrie auf die Schwingfestigkeit wurden zwei Nahtgeometrien mit unterschiedlichen Kerbwirkungen betrachtet. Die Schwingfestigkeitsversuche zeigen, dass die mehrlagige Nahtgeometrie mit der geringeren Kerbwirkungszahl von etwa drei nach Radaj im Vergleich zu den Proben mit der höheren Kerbwirkungszahl von vier eine höhere Schwingfestigkeit aufweisen, was vorwiegend auf die Anrisslebensdauer zurück zu führen ist.

Der Einfluss der Mittelspannung wurde experimentell durch die Variation des Grenzspannungsverhältnis (R=0 und R=0,5) ermittelt. Des Weiteren wurde der Einfluss der schweißinduzierten Eigenspannungen auf die Schwingfestigkeit durch Spannungsarmglühen von drei der 6Versuchsserien ermittelt. Die Schwingfestigkeitsergebnisse zeigen nur einen sehr geringen Einfluss des R-Verhältnis und der Eigenspannungen auf die Schwingfestigkeit der Längssteifen.

Die mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) bestimmten Spannungsprofile an den betrachteten Nahtübergängen der Längssteife ohne Riss unter Berücksichtigung der Nahtgeometrie wurden zur analytischen Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren während des Risswachstums verwendet. Hierfür wurden verschiedenen Gewichtsfunktionslösungen aus der Literatur verwendet. Ein Vergleich zwischen der analytischen und der mit FEM berechneten Spannungsintensitätsfaktoren zeigt eine gute Übereinstimmung für sehr kleine Rissabmessungen. Die Abweichung bei großen Rissen war auf die Annahme eines konstanten Spannungsverlaufs entlang des Nahtübergangs der Schweißnaht bei den Gewichtsfunktionslösungen zurückzuführen. Die Spannungsverläufe entlang des Nahtübergangs der Längssteife sind – bedingt durch die Probengeometrie – dagegen nicht konstant. Im Platteninneren wurde eine Spannungsüberhöhung um den Faktor 1,2 im Platteninneren ermittelt.

Die mit der FEM simulierten Eigenspannungsfelder zeigen eine starke Abweichung von den Messungen des ifs. Hauptgrund dafür sind Phasenumwandlungseffekte, die in dieser Arbeit nur durch eine vereinfachte Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich der Martensitrückumwandlung berücksichtigt wurden. Durch eine gezielte Anpassung der thermischen Belastungen an die Messergebnisse konnte ein Eigenspannungsfeld simuliert werden, welches als Ausgang für die Untersuchung des Einflusses einer zyklischen Belastung auf den Eigenspannungszustand verwendet wurde. Hierbei wurden an den Nahtübergängen Zugeigenspannungen in Plattenlängsrichtung von etwa 100 MPa gemessen und 200 MPa berechnet. Eine zyklische Belastung der Längssteife führt zum Abbau bzw. zur Umlagerung der Eigenspannung, wobei die Höhe der Spannungsumlagerung von der Belastungshöhe abhängig ist, so dass für Rissfortschrittsuntersuchungen nicht von den Eigenspannungen im Schweißzustand ausgegangen werden kann.

Die Simulation des Rissschließens bei zyklischer Belastung der Längssteifen zeigt unter Berücksichtigung der Eigenspannungen eine geringe R-Abhängigkeit der Rissschließfunktion, wobei ohne Eigenspannungen die R-Abhängigkeit deutlicher zu sehen ist.

Der Einsatz der IBESS-Prozedur zur Ermittlung der Lebensdauer von Längssteifen lieferte im Vergleich zu den Versuchsergebnissen im Zeitfestigkeitsbereich um den Faktor drei bis sechs niedrigere Lebensdauern, während die Übereinstimmung im Dauerfestigkeitsbereich besser war. Daher sollte von dort mit dem üblichen Neigungsexponenten der Wöhlerlinie für Schweißverbindungen in den Zeitfestigkeitsbereich extrapoliert werden. Auch der mit den Versuchsergebnissen beobachtete Einfluss der Kerbwirkung wurde mit der IBESS-Prozedur zutreffend ermittelt.

CMT-Bericht 34/2015: Klebtechnisches Fügen von Rohrleitungen im Schiffbau (Rohrkleben im Schiffbau)

Fraunhofer Anwendungszentrum für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP, Rostock
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael Henkel, Dipl.-Ing. Nikolai Glück, M. Sc. Linda Fröck

Fraunhofer-Gesellschaft e.V. – Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM
Dr. Markus Brede, Dr. rer. nat. Christof Nagel

Das IGF-Vorhaben 17808 N des Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org

Zusammenfassung

Der Fügeprozess ist die wesentliche Stellgröße zur Reduzierung des Zeitaufwands und der Kosten beim Einbau von Rohrleitungen in Schiffen und auf Offshorekonstruktionen. Bei der Anwendung von Schweißverfahren kommt es in Folge der Wärmeeinbringung sowohl zur Zerstörung von Korrosionsschutzschichten auf den Rohren, als auch in der Umgebung. Das auf Grund der beengten Verhältnisse erforderliche Schweißen in Zwangslagen führt zu einer erhöhten Fehlerquote und dadurch zu Nachbesserungsaufwand. Alternative Verfahren, wie mechanische Rohrmuffensysteme werden als nicht wartungsfrei eingestuft und können daher nur an zugänglichen Positionen eigesetzt werden. Aus diesen Problemen leitet sich der Bedarf nach einem wartungsfreien, wärmearmen Fügeverfahren für grob tolerierte metallische Rohrleitungen ab, das im beengten Bauraum und unter variierenden Umgebungsbedingungen einsetzbar ist. Als Lösungsansatz bietet sich die Anwendung eines klebtechnischen Fügeverfahrens, das im Rahmen des Projektes „Klebtechnisches Fügen von metallischen Rohrleitungen im Schiffbau“ entwickelt wurde. Auf Basis einer Analyse der spezifischen Anforderungen an Fügestellen unterschiedlicher Rohrleitungssysteme, sowie den Fügeprozess in der schiffbaulichen Fertigung, wurde die Verbindungsstelle dimensioniert, Klebstoffsysteme ausgewählt und qualifiziert sowie ein Fügeprozess entwickelt. Es wurde ein Rohrklassenkatalog mit kritischen mechanischen, klimatischen und medialen Einwirkungen erstellt. Zur Dimensionierung der Rohrverbindung wurden die Beanspruchungen des Klebverbunds mittels numerischer Simulationen (FEM) der Verbindungsstelle analysiert und die Beanspruchbarkeiten des Klebverbunds an künstlich gealterten Proben ermittelt. Ergebnisse sind Aussagen zum Alterungsverhalten ausgewählter geklebter Rohrverbindungen unter spezifischen mechanischen und medialen Belastungen und ein Berechnungsverfahren zur Auslegung geklebter Rohrverbindungen. Zur Entwicklung eines Fügeprozesses wurden unterschiedliche Applikations- und Fixierungsvarianten konzipiert und durch praktische Tests zu einer Verfahrensvariante optimiert. Als Ergebnisse stehen dem Anwender ein Verbindungsbauteil zum klebtechnischen Verbinden von Rohrleitungen unterschiedlicher Klassen und Größen sowie ein unter schiffbaulichen Bedingungen anwendbares geprüftes Verfahren zur klebtechnischen Verbindung ausgewählter Rohrklassen zur Verfügung. Die Gebrauchstauglichkeit wurde durch die Herstellung und Prüfung von Rohrverbindungen unter Werftbedingungen nachgewiesen. 

Das im Projekt entwickelte klebtechnische Fügeverfahren mittels geteilter Klebmuffe ermöglicht erstmals die wartungsfreie Verbindung metallischer Rohrleitungssysteme ohne Schweißoperationen. Durch die im Projekt durchgeführten Auslagerungsversuche wurden Abminderungsfaktoren für die Alterung ausgewählter Klebstoff-Oberflächen-Kombinationen unter medial-thermischer Dauerbeanspruchung in unterschiedlichen Wasserleitungen (Kühl-,See-, Grauwasser) ermittelt. In Kombination mit dem ebenfalls im Projekt entwickelten analytischen Berechnungsverfahren ist es nun möglich, Klebemuffen für wasserführende Rohrleitungssysteme von DN32 bis DN350 rechnerisch auszulegen.
Durch die Anwendung des entwickelten Verfahrens können folgende Effekte erzielt werden:
– Steigerung der Produktivität in der Rohrmontage durch Wegfall von Nacharbeiten
– Verbesserung der Verbindungsqualität bei Fügeoperationen
– Verbesserung des Korrosionsschutzes beschichteter Rohre durch wärmefreies Fügen
– Reduzierung des notwendigen Abstands zwischen Rohrleitungen und Wänden
– Effiziente Endmontage und Reparatur in explosions- bzw. brandgefährdeten Räumen

CMT-Bericht 33/2015: Beschädigungsresistente Oberflächenbeschichtungen maritimer Strukturen bei typischen Betriebs- und Umweltbelastungen am Beispiel Ruder (BESOMA)

Fraunhofer Anwendungszentrum für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP, Rostock
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael Henkel, M.Sc. Michel Hauer

Helmut-Schmidt-Universität – Universität der Bundeswehr Hamburg – Institut für Werkstofftechnik
Prof. Dr.-Ing. Thomas Klassen, Dr. Frank Gärtner, Dipl.-Wi.-Ing. Sebastian Krebs

Das IGF-Vorhaben 17135 N des Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org

Zusammenfassung

Massive Erosionserscheinungen an modernen Containerschiffen und Fähren können die Sicherheit des Schiffsbetriebes gefährden. Kritisch ist insbesondere die Kavitationserosion, die durch die Bildung / Auflösung von Dampfblasen bei Druckschwankungen entsteht. Daneben bewirkt aufgewirbeltes Sediment im umgebenden Anströmbereich einen erhöhten Oberflächenabrieb, das Salzwasser bewirkt eine erhöhte Seewasserkorrosion. Die Beseitigung der Folgen dieses tribologischen Systems im Ruder- und Achterschiffsbereich stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. In der Schiffsentwurfsphase werden moderne Simulationsverfahren eingesetzt und deren Ergebnisse in Modellversuchen im Kavitationstunnel und Schlepptank validiert. Die Bereiche der Kavitationsgefährdung können somit rechnerisch und experimentell gut ermittelt werden. In der Praxis werden die Schiffe mindestens alle 5-7 Jahre gedockt, um die aufgetretenen Schäden meist aufwendig durch Auftragsschweißen und Schleifarbeiten zu beseitigen. Bei großvolumigen Ruderanlagen im Schiffbau bzw. im Achterschiffsbereich wurde das thermische Spritzen bisher nicht eingesetzt. Die betreffenden Stahloberflächen werden mit organischen Beschichtungen und i.d.R. zusätzlich mit Opferanoden aus Zink versehen. Diese werden regelmäßig nach dem Eindocken des Schiffes erneuert.
Die Zielsetzung des Projekts bestand daher in der Entwicklung eines Verfahrens zum vollständigen oder partiellen Beschichten durch Kaltgasspritzen von beständigen Materialien auf Ruderanlagen- und umgebende Achterschiffsbereiche, um Kavitations-, Abrasions- und Korrosionsschäden der betreffenden Oberflächen deutlich zu reduzieren. Dafür musste das Verfahren v.a. auf Werkstoffe für den maritimen Einsatz abgestimmt werden. Die sich daraus ergebenden wesentlichen Aufgaben des Projektes bestanden darin, geeignete Materialien wie die verwendete Bronze CuAl10Fe5Ni5, welche u.a. im Propellerbau Anwendung findet, auf deren Verarbeitbarkeit durch Kaltgasspritzen für maritime Strukturen sowie für den Schiffbau gegebene Grundwerkstoffe (GL-A, t = 15 mm) zu untersuchen und die Prozessparameter entsprechend zu optimieren. Auf Grund dieser für das Kaltgasspritzverfahren neuartigen Werkstoffkombinationen kam es zu vorher nicht absehbaren Komplikationen und Verzögerungen, die insbesondere die Pulvervorbehandlung und Parameteranpassung betrafen. Trotz dieser Probleme ist es gelungen, kaltgasgespritzte Mehrstoffbronzen-Schichten herzustellen, deren Kavitationserosionsbeständigkeit dickeren, geschweißten Schutzschichten aus
rostfreiem Stahl 316L deutlich überlegen ist.

CMT-Bericht 32/2015: Einsatz von Laserscannern im Stahlkörperbau (ELASTA)

Fraunhofer Anwendungszentrum für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP, Rostock
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dipl.-Ing. Michael Geist, M.Eng. Lisa Knaack

Das IGF-Vorhaben 17279 N des Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org

Zusammenfassung

Der technische Fortschritt flächenhafter Messsysteme hat in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung vollzogen. 3D-Laserscanner sind heute leistungs­fähige Sensoren, mit denen sich Objekte schnell, umfassend und objektiv digitali­sieren lassen. Flächenhafte Messsysteme bieten in Kombination mit anwendungs-bezo­genen Auswertetools ein enormes Poten­zial für die Qualitätssicherung im Stahlkörperbau sowie die Umsetzung der Erkenntnisse aus dem Forschungsgebiet der Genaufertigung. Die Methoden des Genaubaus werden bis heute jedoch nicht auf allen Werften durch­gängig angewendet. Die Gründe dafür sind vor allem:

• Hoher Aufwand bei der Erfassung und Verarbeitung der Daten,
• Übergang von der Serienfertigung zur Einzelfertigung, wodurch die Komplexi­tät der fertigungsbegleitenden Geometrieprüfung erhöht wird.

Hier fehlt es also insbesondere an effektiven Hilfsmitteln für die Qualitätssicherung. Ziel des Vorhabens war es, mit flächenhaften, digitalen Messverfahren ein Werkzeug für die Qualitätssicherungsaufgaben im Stahlkörperbau zu entwickeln, welches es zum einen erlaubt, die notwendigen Maße und Geometrien wesentlich schneller als bisher zu erfassen und zum anderen die Reproduzierbarkeit sowie Prozesssicherheit bei der Qualitätskontrolle deutlich zu erhöhen. Als konkrete Anwendungsfälle wurden die drei folgenden Prüfaufgaben mit dem projektbegleitenden Ausschuss (PA) definiert:

• Kontrolle von Paneelen
• Kontrolle von Anschlussgeometrien
• Messung von Bauteilöffnungen

Für eine effektive und flexible Prüfung mittels 3D-Laserscanner galt es im Projekt folgende wissenschaftlichen Problemstel­lungen zu betrachten:

• Automatisierte Ausrichtung von 3D-Punktwolken in das Bauteilkoordinatensystem
• Bearbeitung der hoch dichten 3D-Punktwolken zur merkmalsbezogenen Auswertung.

Für die Realisierung des Vorhabens wurden die derzeit durchgeführten Messaufgaben analysiert und hinsichtlich der Einsetzbarkeit des 3D-Laserscanners und der Automatisierbarkeit geprüft. Darauf basierend konnten die oben genannten Prüfaufgaben ausgewählt und im weiteren Projektverlauf messtechnisch und programmiertechnisch in Softwarewerkzeugkästen umgesetzt werden. Dafür wurden bei den Mitgliedern des PA’s Testdaten und Verifizierungsdaten akquiriert. Durch die Verifizierungsmessungen mittels Tachymeter konnte gezeigt werden, dass eine Prüfung mittels 3D-Laserscanner und den entwickelten Softwarewerkzeugkästen im Schiffbau anwendbar ist.

CMT-Bericht 31/2015: Entwicklung einer wirtschaftlichen Verfahrensvariante des UP Schweißens in Querposition (PC) an großen Blechdicken für die Anwendung an Offshore-Strukturen und im Schiffbau (UP-Quer)

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt MV
Dr. rer. nat R. Peters, Dipl.-Ing. (IWE) A. Sumpf

Fraunhofer Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP, Rostock
Dr.-Ing. habil. K.-M. Henkel, M.Sc. Wirt.-Ing. A. Gericke (SFI)

Das Forschungsprojekt
„Entwicklung einer wirtschaftlichen Verfahrensvariante des UP-Schweißens in Querposition (PC) an großen Blechdicken für die Anwendung an Offshore-Strukturen und im Schiffbau (UP-Quer)“ wurde gefördert von der gemeinnützigen Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V. Zweck der Stiftung ist die Förderung der Forschung auf dem Gebiet der Stahlverarbeitung und -anwendung in der Bundesrepublik Deutschland. Geprüft wurde das Forschungsvorhaben von einem Gutachtergremium der Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.V. (AVIF), das sich aus Sachverständigen der Stahl anwendenden Industrie und der Wissenschaft zusammensetzt.
Begleitet wurde das Projekt von einem Arbeitskreis des CMT.

Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org

Zusammenfassung

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer wirtschaftlichen Technologie für das einseitige UP-Schweißen in Querposition an Blechdicken von 13 mm bis zu 80 mm. Dabei sollen insbesondere durch die Entwicklung oder Anpassung einer geeigneten, einfach zu handhabenden Geräte- und Geräteführungstechnik an die zu betrachtenden Einsatzfälle und der Entwicklung einer Mehrdraht Technologie die vom Schweißen in Wannenposition (PA) bekannten wirtschaftlichen Vorteile des UP-Schweißens auf das Schweißen in Querposition (PC) übertragen werden. Die Einsatzfälle umfassten das Szenario „Schiffbau“ mit langen Quernähten und dem Ziel einer möglichst geringen Lagenanzahl beim Einseitenschweißen auf der Werft. Innerhalb des Einsatzszenarios „Offshore“ sollte die Anwendbarkeit für die Fertigung von Gründungsstrukturen für die Offshore- Windenergieerzeugung überprüft und angewendet werden. Bezeichnend für diese Aufgabe sind große Rundnähte mit Blechstärken bis 80mm. Dabei mussten die strengen Anforderungen der Normen und Klassifikationsgesellschaften für Offshore-Strukturen erfüllt werden, welche besonderes Augenmerk auf die Schlagzähigkeit der hergestellten Naht sowie auf die Bewertung der Nahtoberfläche im Sinne der dynamischen Belastbarkeit legen. Ein effizienter Lagenaufbau, eine den Anforderungen genügende Gestaltung der Decklage sowie die zielführende Gestaltung technologischer Randbedingungen wie der Pulverzufuhr in tiefe Fugen oder Wurzelbadsicherung für verschiedene hochproduktive Mehrdrahtvarianten sollte für beide Szenarien entwickelt werden. Die Einhaltung der geforderten mechanisch-technologischen Eigenschaften sollte in beiden Einsatzfällen nach der jeweiligen Anwendungsnorm sichergestellt werden. Innerhalb der Anlagenentwicklung sowie der Führungstechnik sollte ein flexibles und leicht zu installierendes System entwickelt und erprobt werden, welches ohne Heftschweißungen oder Einhängevorrichtungen an der jeweiligen Schweißstelle montiert werden kann und durch Leichtbauansätze ein sicheres Schweißen der entsprechenden Schweißaufgabe ermöglicht. Dafür wurde eine umfassende Analyse der zu lösenden Schweißaufgaben mit anschließender Definition der zu entwickelnden Gerätetechnik und Anlagenperipherie erstellt. Die Anlagenführung erfolgt an zwei flexiblen Aluminiumschienen, die mittels schaltbarer Magneten an der Schweißstelle positioniert und fixiert werden. Dabei hat sich die Positionierung beider Schienen oberhalb der Fuge aus Gründen der vereinfachten Einrichtung als am vorteilhaftesten erwiesen. Um eine ausreichende Haltekraft aufbringen zu können, wurden die Magnetpaare experimentell und numerisch entsprechend dimensioniert. Zur Berücksichtigung realer Fertigungsbedingungen wurden Halteversuche an beschichteten, korrodierten und verschmutzten Metalloberflächen durchgeführt. Als Resultat ergibt sich eine noch mehr als ausreichende Haltekraft bei einem effektivem Luftspalt von 1mm zwischen Magnet und Oberfläche für die Konstruktion. In Absprache mit den beteiligten Industrieunternehmen wurde die Bedienbarkeit und Zugänglichkeit anwenderfreundlich gestaltet. Die Konstruktion umfasst neben dem Führungssystem, der Schweißeinrichtung, diverser Steuerungsmöglichkeiten und Vorschübe die Pulverzuführung und Vorrichtungen für das Mitführen von bis zu vier Drahtspulen. Damit können die Verfahrensvarianten Eindraht-, Twin-, Tandem- sowie Tandem- Twin-Schweißen eingesetzt werden. Die konzipierte Anlage wurde in Form eines Demonstrators gebaut und im Rahmen mehrerer Veranstaltungen der Öffentlichkeit vorgeführt. Eine Verfahrensprüfung wurde erfolgreich an einer Arbeitsprobe mit einer Blechdicke von 60mm im Tandem-Twin-Prozess mit vier Drähten absolviert. Die Problematik der Pulverzuführung und stetigen –nachführung wurde mit der Konzeption und Entwicklung eines regelbaren Fördersystems auf Basis einer Förderschnecke gelöst. Dadurch konnte eine ausreichende Pulverabdeckung im Prozess auch bei sehr tiefen und engen Fugen gewährleistet werden. Die als Sonderanfertigung hergestellte Förderspirale wird über einen kompakten Drehstrom-Synchronmotor bis zu einer maximalen Drehzahl von 2000 Umdrehungen pro Minute angetrieben und mittels einer eigens entworfenen und umgesetzten SPS sowie Handbedienung stufenlos angesteuert. Mit dem System, das über die konventionelle Schwerkraftschüttung mit dem Pulverkreislauf verbunden ist, können Fördervolumenströme von bis zu 8 Kilogramm pro Stunde realisiert werden. Damit ist auch das Quernahtschweißen von sehr tiefen und engen Fugen bis über 100mm mit Mehrdrahtprozessen problemlos durchführbar. Zur Verifizierung der schweißtechnologischen Rahmenbedingungen wurden umfangreiche Parameterstudien durchgeführt. Dabei wurden Schiffbaubleche der Güte A36 in der Dicke 15mm und 20mm sowie Off shore-Bleche der Güte S355 G10+M in der Dicke 60mm verwendet. Die Nahtvorbereitung entsprach den Vorgaben der anwendenden Industriepartner mit Öffnungswinkeln zwischen 45° und 35° in HV-Fugen. Als UP-Verfahrensvarianten kam neben dem Eindrahtschweißen der Twin-, Tandem sowie Tandem-Twin Prozess mit maximal vier abschmelzenden Elektroden zum Einsatz. Es wurden verschiedene Methoden des Lagenaufbaus eruiert mit besonderem Hinblick auf Wurzel- und Decklagengestaltung. Speziell dazu wurden umfangreiche Parameterstudien mit variierenden Schweißparametern und Verfahrensvarianten in tiefen Fugen für eine optimierte Wurzelgestaltung sowie Auftragsraupen an senkrechten Blechen zur Abschätzung des Fließverhaltens in der Decklage durchgeführt. Dadurch konnte das Auftreten von Nahtfehlern und fest anhaftender Schlacke im Wurzelbereich sowie verlaufendes Schweißgut und Einbrandkerben in der Decklage minimiert werden. Zusätzlich fanden Untersuchungen für einen zweckmäßigen Wurzelschutz im Rahmen des für die Schiffbauanwendung angestrebten Einseitenschweißens in Querposition. Dazu wurden verschiedene Formen der MSG-Wurzellage, keramische Badsicherungen sowie Pulverbadsicherungen experimentell überprüft. Die beste Eignung zeigte sich bei der manuell gelegten MSG-Wurzel, die zum einen das Durchbrechen der UP-Stützlage am besten verhindert und gleichzeitig eine einheitliche Anbindung bei ungleichmäßigen Wurzelspalten realisieren kann, was beim vollautomatisierten UP-Schweißen ohne Sensor- und Regeltechnik problematisch ist. Aufbauend auf diesen erfolgreichen Parameterstudien wurden nach festgelegtem Versuchsplan Verbindungsschweißungen mit den beschriebenen Grundwerkstoffen und Verfahrensvarianten unter Verwendung verschiedener Draht-Pulver-Kombinationen durchgeführt. Im Rahmen der durchgeführten mechanischtechnologischen Prüfungen konnten die Anforderungen der jeweiligen Anwendungsnormen (GL Shipbuilding Rules, GL Wind) sicher erfüllt werden. Innerhalb der schiffbaulichen Versuche traten teilweise unzulässige Aufhärtungen an der Oberkante der geschärften Kante im Decklagenbereich durch örtliche Martensitbildung auf. Dies ist auf den erhöhten Kohlenstoffgehalt des Grundwerkstoffes sowie auf die fugengeometriebedingte rasche Abkühlgeschwindigkeit in Verbindung mit der höheren Schweißgeschwindigkeit im Decklagenbereich zurückzuführen. Durch Geschwindigkeitsreduktion in der Decklage kann die Aufhärtung auf einen zulässigen Wert reduziert werden. Im Rahmen der UP-Quernahtschweißungen für das schiffbauliche Szenario konnten minimale Raupenanzahlen von drei (15mm Bleche) bzw. vier (20mm Bleche) bei rechnerischen Abschmelzleistungen von bis zu 20kg/h erzielt werden. Es stellte sich heraus, dass zwischen den jeweiligen UP-Verfahrensvarianten untereinander keine großen Produktivitätsunterschiede realisiert werden konnten. Maßgeblich dafür ist der, bedingt durch die geringere Blechdicke, kleine Anteil des Fülllagenbereiches an der Gesamtschweißung. Innerhalb dieses Bereichs kann in der Regel mit sehr hohen Abschmelzleistungen gearbeitet werden. Die Bereiche der Wurzel- und Decklage hingegen verlangen eine sehr exakte Wärmeführung zur Vermeidung von Schweißnahtunregelmäßigkeiten. Es hat sich außerdem als zweckmäßig erwiesen die Streckenenergie auf unter 25kJ/cm zu begrenzen, da oberhalb dieses Bereiches regelmäßig metallurgische Unregelmäßigkeiten wie Heißrisse und Aufhärtungen auftraten, was überwiegend auf die Qualität der verwendeten Grund- und Zusatzmaterialien zurückzuführen ist. Eine der größten Herausforderungen innerhalb der Versuchsschweißungen für das Offshore-Szenario war die sichere Pulverzuführung zum Wurzelpunkt in die tiefe Fuge, was durch das Förderschneckensystem gelöst wurde. Im Laufe des Projektes ist es gelungen Parametersätze für die fehlerfreie Schweißung von Wurzel-, Fülllagen und Decklagenbereich zu finden, so dass zum einen der optische Befund wie auch die strengen mechanisch-technologischen Anforderungen für Offshore-Strukturen erfüllt werden konnten. Durch geeigneten Lagenaufbau und optimierte Wärmeführung konnten auch noch mit unlegierten Zusatzwerkstoffen vom Typ S3Si die Anforderungen an die aufnehmbare Kerbschlagarbeit in allen Bereichen der Schweißnaht, Schmelzlinie und WEZ nachgewiesen werden. Bei den Versuchen zeigte sich ein erheblicher Produktivitätsanstieg bei Verwendung von UP-Mehrdrahtvarianten, was im Gegensatz zu den schiffbaulichen Versuchen durch den hohen Anteil des Fülllagenbereiches an der gesamten Schweißung zu erklären ist (Blechdicke = 60mm). Es konnten Abschmelzleistungen von über 20kg/h bei einer minimalen Raupenanzahl von 36 sicher erzielt werden. Zur Erfüllung der mechanisch-technologischen Anforderungen sollte bei dem hauptsächlich verwendeten Draht S3Si in Verbindung mit fluorid-basischem Pulver die Streckenenergie 32kJ/cm nicht übersteigen, da sonst aufgrund der Ausbildung ungünstiger Gefügemorphologien die aufnehmbaren Kerbschlagarbeiten den Anforderungen nicht immer genügen können. Mit Konstruktion, Bau und Erprobung eines durch Magnetschienen flexibel einsetzbaren Prototyps einer UP-Quernahtschweißanlage inklusive Anlagenperipherie sowie der erfolgreichen Absolvierung einer Verfahrensprüfung können in Verbindung mit den praktisch ermittelten Parametern und notwendigen Rahmenbedingungen die gewonnenen Erfahrungen aus dem Projekt sofort bei interessierten Unternehmen umgesetzt werden. Für den wirtschaftlich relevanten Blechdickenbereich ab 15mm liegen umfangreiche und abgesicherte Ergebnisse vor, die detailliert im Abschlussbericht dargelegt werden. Aufgrund der guten und häufigen Resonanz aus der Industrie (z.B. Anlagenhersteller, Anwender) zu dem Projekt kann von einer praktischen Umsetzung ausgegangen werden.