SB_50.EWNLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Vollmechanisiertes
adaptives Wurzelschweißen
an Gründungsstrukturen
von Windenergieanlagen

Vollmechanisiertes adaptives
Wurzelschweißen an
Gründungsstrukturen von
Windenergieanlagen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 00.050 EWN
DVS-Nr.: WE.3128
RWTH Aachen Institut
für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 00.050 EWN / DVS-Nr.: WE.3128 der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 544
Bestell-Nr.: 170654
ISBN: 978-3-96870-544-6
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis 7
IV Inhaltsverzeichnis
I Zusammenfassung I
II Ziel der Untersuchungen II
III Wissenschaftliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen III
IV Inhaltsverzeichnis 7
V Abbildungsverzeichnis 9
VI Tabellenverzeichnis 10
1. Anlass für den Forschungsantrag 11
1.1 Einleitung 11
1.2 Stand der Technik 13
2. Zielstellung und Arbeitshypothese 20
3. Lösungsweg 21
4. Untersuchungsergebnisse 23
AP 1 - Definition der grundlegenden Applikation und der technologischen
Randbedingungen 23
AP2 - Definition relevanter Datenformate und Informationsschnittstellen 25
AP3 - Integration/Bereitstellung der Entwicklungsumgebung 27
AP4 - Prozessqualifizierung (Evaluation und grundlegende Eignung der MSG-
Variante) für die Wurzelschweißung 28
AP5 - Erstellung einer Prozesslandkarte zur Bestimmung des geometrie- und
schweißpositionsabhängigen Prozessfensters mittels Prozesskennwerten 30
AP6 - Erarbeitung von Prozessstrategien zur Online-Anpassung der
Prozessstellgrößen 33
AP7 - Erarbeitung von Strategien zur Erkennung und Überschweißung von
Heftstellen und Schweißnahtansätzen 35
AP8 - Erstellen von Prozess- und Qualitätsmodellen zur Anpassung der
Schweißprozessstellgrößen unter Berücksichtigung der Variation der
aktuellen Fugengeometrie 36
AP9 - Auswahl und Qualifizierung von Optimierungsalgorithmen zur Anpassung
der Systemstellgrößen 37
AP10 - Generierung von Schweißlisten zur situationsabhängigen Anpassung der
Stellgrößen 38
AP11 - Implementierung der Schweißlisten in das System und Verifikation der
Anpassungs-strategie durch Schweißversuche 39

Inhaltsverzeichnis 8
5. Abschließende Bewertung der Ergebnisse 41
6. Ausblick 42
7. Formales 43
8. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses
mit den Zielen. 44
9. Wissenschaftlich-technischer u. wirtschaftlicher Nutzen der
Forschungsergebnisse für KMU 45
9.1 Wissenschaftlich-technische Ergebnisse 45
9.2 Wirtschaftliche Ergebnisse 45
9.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit 46
VII Literaturverzeichnis 47

Anlass für den Forschungsantrag 11
1. Anlass für den Forschungsantrag
1.1 Einleitung
Windenergieanlagen (WEA) stellten in Deutschland im Jahr 2021 mit 21,5% der Bruttostromerzeugung
die zweitwichtigste Art der Gewinnung elektrischer Energie nach
Kohle (30,2%) und somit vor Erdgas (12,6%) und Kernenergie (12,6) dar [Dest21]. Der
Anteil der Offshore-Windstromerzeugung stiegt dabei auf fast 18 %. Diese Zahlen alleine
verdeutlichen die Relevanz der Windenergie für die Deckung des Energiebedarfs
und zeigen auf, dass in der Nutzung von Offshoretechnik ein großes Potential zur weiteren
Sicherung des deutschen Energiebedarfs besteht. Alleine für 2018 befinden sich
fünf weitere Nordsee-Offshore-Windparks mit 1,85 GW Leistung in der Bauphase
[Win18]. Die Hersteller von Windenergieanlagen stellt die Fertigung der großen Stahlstrukturen
vor enorme logistische Herausforderungen, da die Etablierung von Fertigungslinien
für die große Zahl an geplanten Projekten mit hohen Investitionen verbunden
ist, die sich oftmals erst durch Folgeaufträge rentieren. Vorhandene Fertigungskapazitäten
sind mit derzeitigen Produktionsverfahren zur Deckung des Bedarfs nicht
ausreichend. Besonders aufwändig ist hierbei die Herstellung der Gründungsstrukturen.
Je nach Struktur und Bodentyp werden bei der Gründung von Offshore-WEA unterschiedliche
Fundamenttypen genutzt. Je nach indizierter Gründungsstruktur unterscheidet
man zwischen Jackets, Tripods, Monopiles und Tripiles. Durch die Eignung
der Jackets für größere Wassertiefen und steinigen Meeresboden bieten sie einen inhärenten
Vorteil im Sinne eines größeren Anwendungsbereiches. Insbesondere durch
die Verwendung von Rohren mit Standarddimensionen als Fachwerkstäbe ist bei der
Herstellung der Jackets eine gute Lastskalierbarkeit bei gleichzeitig überschaubarem
logistischen Aufwand gegeben. Hierbei ist derzeit die Herstellung der Rohr-Rohr-Verbindungen
durch manuelle Schweißverfahren Stand der Technik. Ausnahmen sind
Schweißverbindungen, die am drehenden Rohr in Wannenlage erfolgen können. Die
Verbindungen von Standbeinen an Zentralrohre, Knotenverbindungen oder auch
Schweißarbeiten in Zwangslage an fester Baugruppe werden manuell durchgeführt.
Bei der Analyse der Produktion der Jackets zeigt sich, dass der materialsparenden
Struktur hohe Fertigungskosten gegenüberstehen. Insbesondere die schweißtechnischen
Arbeitsschritte zur Herstellung der Rohr-Rohr-Verbindungen sind hier Kostentreiber,
da diese manuell gefertigt werden. Die hierbei entstehenden Lohnkosten auf
der einen Seite und die geringe Verfügbarkeit von qualifizierten Fachkräften auf der
anderen Seite lassen die Gesamtkosten und den Prüfaufwand ansteigen.
Vor diesem Hintergrund stellt die Erhöhung des Mechanisierungsgrades bei der Fertigung
von Jacketstrukturen eine wirtschaftlich attraktive Option dar, welche im umkämpften
Markt der Offshore-WEA zukunftsentscheidend sein wird. Durch die Mechanisierung
von Schlüsselarbeitsschritten kann die Fertigungsdauer bei gleichzeitig stabilisierender
Wirkung auf die Qualität reduziert werden. Hierbei ist die Herstellung der
Wurzelschweißung als wesentlichen Teilschritt zu sehen. Durch eine Reduzierung der
Schweißzeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Qualität für die Herstellung der ersten Lagen
kann die Wirtschaftlichkeit bereits deutlich erhöht werden, da hier eingebrachte

Anlass für den Forschungsantrag 12
Fehler ganz wesentlich die Produktqualität und den Reparaturbedarf während der Fertigung
bestimmen. Eine Mechanisierung des Wurzelschweißprozesses ist jedoch nur
über die Nutzung eines adaptiven Schweißkonzeptes denkbar, dass die wechselnden
Randbedingungen während der Fertigung berücksichtigen kann. Ein solches Konzept
soll im Rahmen dieses Projektes für die Wurzelschweißung entwickelt werden.

Anlass für den Forschungsantrag 13
1.2 Stand der Technik
Fertigung von Gründungsstrukturen
Gründungsstrukturen werden derzeit im Offshore-Bereich u.a. in Form von Tripods,
Jackets und Monopiles als Fundamentstruktur genutzt [Win17]. Jackets stellen im engeren
Sinne räumliche Rohrfachwerke aus Stahl dar, deren Füße aus Hülsen bestehen,
welche mit den eigentlichen Fundamentpfählen verbunden werden. Durch die
Nutzung einer Fachwerkstruktur steht ein potentieller Massenvorteil von ca. 30% gegenüber
massiveren
Strukturen, wie Monopiles,
zur Verfügung.
Allerdings bedingt
diese Fachwerkstruktur
auch eine größere
Anzahl notwendiger
Rohr-Rohr-Verbindungen,
welche schweißtechnisch
realisiert
werden müssen.
Tripods bestehen aus
einem Zentralrohr, an
dem in einem Winkel
von 120° versetzt
Standbeine angebracht
sind. Diese
Abbildung 1: Verteilung der Gründungsstrukturtypen im Verhältnis
zur Anzahl der Gesamtinstallation [Win17] ähnlich wie Jackets
Standbeine nehmen
mittels Hülsen die eigentlichen
Fundamentpfähle auf. Generell sollte der Meeresboden bei der Verwendung
von Tripods eben und nicht zu steinig sein.
Monopiles stellen Einzelpfähle dar, die in den Meeresboden gerammt werden und als
Fundament für den eigentlichen WEA-Turm dienen. Aufgrund der einfachen Bauart ist
eine schnelle Installation möglich, die nutzbare Wassertiefe ist mit 20 m allerdings als
gering einzuschätzen.
Tripiles bestehen aus drei einzelnen Fundamentrohren, die an der Wasseroberfläche
durch eine Supportstruktur („Stützkreuz“) verbunden werden. Diese Supportstruktur
dient ebenfalls zur Aufnahmen des WEA-Turms. Aufgrund der gegenüber den Monopiles
geringeren Durchmesser sind geringere Rammkräfte für das Festsetzen notwendig,
allerdings muss für die Aufnahme des Stützkreuzes sehr präzise gearbeitet werden,
was den Montagevorgang komplex werden lässt.
Jackets können zwar hinsichtlich des Materialverbrauches günstigere Eigenschaften
als Monopiles aufweisen, sind aber derzeit aufgrund des hohen Anteils an teilmechanisiert
hergestellten Schweißverbindungen in der Fertigung deutlich unwirtschaftlicher.

Anlass für den Forschungsantrag 14
Aufgrund der komplexen Geometrien der Rohrknotenverbindungen ist die Automatisierbarkeit
in deutlich geringerem Maße gegeben, als dies bei der Herstellung der Monopiles
der Fall ist, die aus Mantelschüssen umgeformter Grobbleche mit dem UP-
Verfahren wirtschaftlich hergestellt werden können. Die Schweißungen an den Rohrknotenverbindungen,
die in Jacketstrukturen in großer Zahl vorhanden sind, müssen
eine hohe Qualität aufweisen, um die Lebensdauer der Strukturen zu gewährleisten.
[Sal18] Hierbei spielt insbesondere die Wurzelschweißung eine entscheidende Rolle,
da hier eingebrachte Fehler in den Fülllagen nicht mehr eliminiert werden können. Bei
der Fertigung der Rohrknotenverbindungen besteht großes Potential einer Erhöhung
des Mechanisierungsgrades. [Dry15] Da die Rohrknoten in vielen unterschiedlichen
Durchdringungswinkeln und Positionen vorliegen, und auch die Wanddicken und
Durchmesser der Rohre stark variieren, erfolgt ein großer Teil der notwendigen
Schweißarbeiten mit dem teilmechanisierten MSG-Verfahren. Bei einer Automatisierung
des Schweißprozesses und der Positionierung können die Fertigungszeiten verkürzt
werden und die Nahtqualität reproduzierbar erstellt werden [Dry15]. Aktuell wird
aufgrund der großen Anzahl an Bauteilvarianten und der unvermeidbaren Fertigungstoleranzen
der Halbzeuge von einer Automatisierung des Schweißvorganges abgesehen
[Pau14] [Han16]. Im Rahmen eines Forschungsprojektes konnte die Salzgitter
Mannesmann Forschung GmbH eine automatisierte schweißtechnische Herstellung
von Rohrknoten erfolgreich testen und eine Reduktion der Schweißzeit und der Fertigungskosten
erreichen [Sal18]. In dem Projekt „Automatisierte Rohrknoten-Fertigung“
am Fh-AGP wurde ein Anlagenkonzept realisiert, das ein vollmechanisiertes Schweißen
von großen Rohrknoten ermöglicht. Dabei wurden Industrieroboter genutzt, um
den Schweißbrenner ideal zu positionieren [Han16] .