SB_20955NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchungen der
Elektrodengeometrie und
des Elektrodenmaterials zur
Erzielung einer höheren
Elektrodenstandzeit beim
manuellen Elektrokontakttrennen
unter Wasser

Untersuchungen der
Elektrodengeometrie und des
Elektrodenmaterials zur
Erzielung einer höheren
Elektrodenstandzeit beim
manuellen Elektrokontakttrennen
unter Wasser
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.955 N
DVS-Nr.: V4.3264
Leibniz Universität Hannover
Institut für Werkstoffkunde (IW)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.955 N / DVS-Nr.: V4.3264 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 Energie 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 556
Bestell-Nr.: 170666
ISBN: 978-3-96870-556-9
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Schlussbericht vom 06.02.2023
zu IGF-Vorhaben Nr. 20.955 N
Thema
Untersuchungen der Elektrodengeometrie und des Elektrodenmaterials zur Erzielung einer
höheren Elektrodenstandzeit beim manuellen Elektrokontakttrennen unter Wasser
Berichtszeitraum
01.12.2019 bis 31.05.2022
Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS
Aachener Straße 172
40223 Düsseldorf
Forschungseinrichtung(en)
Leibniz Universität Hannover – Institut für Werkstoffkunde IW

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 20.955 N
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .............................................................................................................................. 9
1.1 Problemstellung und Zielsetzung ................................................................................... 9
1.2 Lösungsansatz ............................................................................................................. 10
2 Derzeitiger Stand der Technik und Forschung .................................................................... 12
2.1 Elektrokontakttrennen - Verfahren ............................................................................... 12
2.1.1 Wirkprinzipien des CAMG-Prozess ...................................................................... 14
2.1.2 Werkzeuggeometrien beim CAMG-Verfahren ...................................................... 16
2.1.3 Werkzeugelektrodenverschleiß ............................................................................ 18
2.2 Additive Fertigungsverfahren ....................................................................................... 21
2.2.1 Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) ..................................................... 21
2.3 Verwendete Anlagentechnik ........................................................................................ 22
3 AP-1: Werkstoffauswahl und Herstellung der Schneidelektroden ....................................... 26
3.1 AP-1-1: Auswahl Scheibenelektroden nach Arbeitshypothese 1 ................................. 27
3.1.1 Anforderungsliste .................................................................................................. 27
3.1.2 Betrachtung verschiedener Werkstoffe ................................................................. 29
3.2 AP-1-2: Auswahl Scheibenelektroden nach Arbeitshypothese 2 ................................. 34
3.2.1 Werkstofftechnische Grundlagen .......................................................................... 34
3.3 AP-1-3: Herstellung der Scheibengrundkörper ............................................................ 36
3.4 AP-1-4: Qualitätsprüfung und Untersuchung der Scheibengrundkörper ..................... 39
3.4.1 Auswahl von Prüfverfahren ................................................................................... 40
4 AP-2: Schneiduntersuchungen im mechanisierten CAMG-Prozess ................................... 42
4.1 AP-2-1: Schneiduntersuchungen nach Arbeitshypothese 1 ........................................ 42
4.2 AP-2-2: Schneiduntersuchungen nach Arbeitshypothese 2 ........................................ 57
4.2.1 CAMG-Elektrode mit aufgetragenen Schneidwerkstoff X45CrSi9-3 vor dem
Schneidprozess ................................................................................................................... 57
4.2.2 Schneidversuch CAMG-Elektrode mit aufgetragenen X45CrSi9-3 ...................... 64
4.2.3 Versuchsanalyse .................................................................................................. 67
4.2.4 Schneidversuch CAMG-Elektrode mit aufgetragenen CuAg1 .............................. 70
4.3 AP-2-3: Erstellung einer Ergebnismatrix zum Vergleich der Arbeitshypothesen 1 und 2
…………………………………………………………………………………………………....78
4.3.1 Schneidwerkstoff CuAg1 ...................................................................................... 84
4.3.2 Schneidwerkstoff X45CrSi9-3 ............................................................................... 85
5 AP-3: Schneiduntersuchungen durch Taucher ................................................................... 85
5.1 AP-3-1: Schneiduntersuchungen im manuellen CAMG-Prozess ................................. 85
2

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 20.955 N
5.2 AP-3-2: Schneiduntersuchungen alternativer Schneidprozesse .................................. 87
6 AP-4: Betrachtung der Wirtschaftlichkeit des CAMG-Verfahrens ....................................... 88
6.1 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen 90
7 Ergebnisse und Ausblick ..................................................................................................... 95
7.1 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzen für KMUs 99
7.2 Verwendung der Zuwendung ..................................................................................... 100
7.3 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten ................................... 100
7.4 Ergebnistransfer ......................................................................................................... 101
7.5 Danksagung und Förderhinweis ................................................................................ 104
8 Literaturverzeichnis ........................................................................................................... 105
9 Anhang .............................................................................................................................. 107
A1 Technische Zeichnungen Scheibenelektrode ................................................................ 107
3

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 20.955 N
1 Einleitung
1.1 Problemstellung und Zielsetzung
Anfallende Unterwasserarbeiten werden größtenteils von Tauchern ausgeführt, deren
Einsatzmöglichkeiten durch die erreichbare Tauchtiefe und/oder Tauchdauer limitiert
sind. Der Faktor Zeit spielt eine große Rolle in Bezug auf die industrielle Relevanz und
bestimmt die Wirtschaftlichkeit dieser Tätigkeiten. Zu den Anwendungsfeldern der
Unterwassertechnik zählen die Offshore-Industrie, die Errichtung, Wartung und
Reparatur von Hafenanlagen, Binnenwasserstraßen und Kanälen.
Trotz der niedrigen Schneidgeschwindigkeiten von max. 0,2 - 0,3 m/min sind die
thermischen Trennverfahren wie das autogene Brennschneiden oder das Oxy-Arc-
Schneiden derzeit Stand der Technik. Das Elektrokontakttrennen (CAMG – Contact Arc
Metal Grinding) kann als elektrothermisches Metallbearbeitungsverfahren eine
Alternative zu diesen Verfahren darstellen. Mit Schneidgeschwindigkeiten von bis zu 4
m/min konnte in der Vergangenheit erfolgreich mit diesem Verfahren gearbeitet werden,
sowohl im stationären Betrieb [1] als auch im manuellen Betrieb [2][3]. Betrachtet werden
muss der Verschleiß, welcher an den Schneidelektroden während des Trennprozesses
auftritt. Im Vergleich sind Oxy-Arc-Schneidelektroden mit ca. 15-30 cm Schneidlänge pro
Elektrode und einem Preis von ca. 1 € pro Stück gut kalkulierbar. Im Falle des CAMG-
Schneidens sind die Verschleißmechanismen vielschichtiger und setzen sich im
Wesentlichen aus der thermischen Belastung durch den Lichtbogen und den
sogenannten Nebenlichtbögen zusammen. Bei dem manuellen CAMG-Verfahren kamen
bisher kommerzielle Trennscheiben aus der Betonbearbeitung mit einem
Metallstammblatt und planparallelen Seitenflächen zu Einsatz. Durch den hohen Preis
und die geringe Standzeit, bedingt durch die thermische Belastung, erwiesen sich diese
nicht als wirtschaftlich. Der Einsatz der manuellen CAMG-Technik blieb aufgrund dieser
unklaren Kalkulierbarkeit der Verbrauchsmittel bisher aus. An diesem Punkt setzt dieses
Forschungsvorhaben an.
9

Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 20.955 N
Abbildung 1: CAMG-Handschneidgerät im Eingriff (links) Anlage mit Benennung der einzelnen Komponenten (rechts)
Es besteht der Bedarf im Offshore- und Stahlwasserbaubereich Trenn- und
Rückbauarbeiten an Stahlstrukturen unter Wasser durchzuführen. Durch die Entwicklung
eines qualifizierten Trennverfahrens, welches in verschiedenen Wassertiefen eingesetzt
werden kann, wird den Anwendern wie z.B. Bautauchereien sowie kleinen und mittleren
Unternehmen (KMU) ein Verfahren bereitgestellt, das eine Kostenreduzierung der
durchzuführenden Trenn- und Rückbauarbeiten im Unterwasserbereich ermöglicht
aufgrund hoher Schneidleistung und kurzer Prozesszeiten welche das CAMG-Verfahren
auszeichnen. Durch eine Verschleißreduzierung der Werkzeugelektrode beim
Elektrokontakttrennen wird die Wirtschaftlichkeit und Konkurrenzfähigkeit dieses
Verfahrens erst ermöglich. Mit der Entwicklung langlebiger Elektroden mit einer
definierten Standzeit und kalkulierbarem Preis kann eine verlässliche Grundlage sowie
Planungssicherheit für kleinere Betriebe geschaffen werden. Die so in der Lage sind das
Elektrokontakttrennen für Trennarbeiten an schwer zugänglichen Bereichen im
Unterwasserbereich konkurrenzfähig anbieten zu können.
1.2 Lösungsansatz
Im Rahmen von manuellen Rückbau- und Reparaturaufgaben hat das
Elektrokontakttrennen im Unterwasserbereich das Potential in der Stahlwasserbau- und
Offshore-Branche eingesetzt zu werden. Die bereits entwickelte Anlagentechnik ist für
Trennarbeiten in nasser Umgebung auch manuell einsetzbar, dies wurde durch Taucher
in Demonstrationsversuchen nachgewiesen [4]. Ein wirtschaftlicher Einsatz ist auf Grund
des bislang hohen Elektrodenverschleiß derzeit nicht möglich. Durch eine industrielle
10

Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 20.955 N
Weiterentwicklung dieses Verfahrens für die Anwendung durch Tauchbetriebe könnte
den Einsatz der CAMG-Technik an vielen Stellen ermöglichen.
Die Arbeitshypothesen für dieses Vorhaben beinhaltet den Nachweis, dass durch die
Entwicklung von funktionstüchtigen und kostenoptimierten CAMG-Elektroden für die
manuelle Anwendung durch Taucher ein hohes Entwicklungs- und Anwendungspotential
für die manuelle CAMG-Technik im Stahlwasserbau besteht. Auf Grundlage der
Anwendung zweier Wege soll dieser Nachweis geführt werden.
Arbeitshypothese 1:
Zunächst sollen Elektroden aus einem gut verfügbaren und günstigen Werkstoff
hergestellt und eine Bewertung des Scheibenverschleißes vorgenommen werden. Hierzu
werden Scheiben aus verschiedenen Materialien gefertigt und für das thermische
Trennen mittels CAMG-Technik verwendet. Die Herstellung erfolgt mittels
Wasserstrahlschneiden so können mit vertretbarem Aufwand sowohl Vollscheiben, als
auch geschlitzte Scheiben hergestellt werden. Auf Basis verfügbarer Ergebnisse aus den
Vorversuchen am Institut für Werkstoffkunde wird die Geometrie der geschlitzten
Elektrode entwickelt und besonders hinsichtlich des nachlaufenden Lichtbogens
ausgewählt, um so einen schnellen Lichtbogenabriss zu erzwingen. Für die
unterschiedlichen Elektrodenwerkstoffe werden die Schneiddaten durch mechanisierte
Schneidversuche mit dem Handschneidgerät ermittelt und es erfolgt ein
Leistungsvergleich am Beispiel des Stahls S355. Der auftretende Verschleiß wird in
Bezug zu der Schneidleistung betrachtet und diskutiert, um eine Aussage hinsichtlich der
Gesamtprozessleistung treffen zu können.
Arbeitshypothese 2:
Aus vorherigen Arbeiten in denen mit hochverschleißfesten Schneidstoffen welche bisher
nur durch Sintern und Löten mit dem Grundmaterial der Elektrode verbunden werden
konnten wird eine neue Herstellmöglichkeit für die Schneidelektrode abgeleitet [5]. Dazu
wird ein metallurgisch zum Schneidwerkstoff passendes Grundmaterial ausgewählt aus
dem ein Stammblatt gefertigt wird. Im zweiten Fertigungsschritt werden durch die
Anwendung des WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing) Prozesses mittels MSG-
Schweißen mehrere Lagen des Schneidwerkstoffes in Umfangsrichtung aufgeschweißt
(s. Abbildung 2). Damit sind ein schnelles und sinnvolles Werkstoffscreening hinsichtlich
11