SB_20

Schlussbericht vom 31.05.2023
zu IGF-Vorhaben Nr. 20405 N
Thema
Verbesserung der mechanisch technologischen Eigenschaften von nass
unterwassergeschweißten Kehlnähten an hochfesten Stählen
Berichtszeitraum
01.08.2019 - 30.09.2022
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren des DVS e.V.
Forschungseinrichtung(en)
RWTH Aachen, Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF)

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20405N

Zusammenfassung
I
I
Zusammenfassung
Beim nassen Unterwasserschweißen kommt es aufgrund der Dissoziation des Wassers im
Lichtbogen zu starker Diffusion elementaren Wasserstoffs in das flüssige Schweißgut. In
Kombination mit den kurzen Abkühlzeiten durch die Wärmeableitung in das umgebende
Wasser ist hier insbesondere beim Schweißen höherfester Stähle mit einem gesteigerten
Kohlenstoffäquivalent wasserstoffinduzierte Rissbildung möglich. Das Ziel des Projektes ist
die Abschätzung der mechanisch-technologischen Eigenschaften nass unterwassergeschweißter
Kehlnahtverbindungen, sowie die Reduzierung des Wasserstoffgehaltes und die
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften mit Hilfe eines an die Kehlnahtform angepassten
Induktors zur Wärmenachbehandlung.
Die chemische Analyse des Grundwerkstoffs hat gezeigt, dass dieser ein Kohlenstoffäquivalent
von über 0,4 % aufweist und somit nicht für das nasse Unterwasserschweißen empfohlen
wird. Die unter realen Bedingungen von Tauchschweißern steigend geschweißten Proben
wiesen im Zugversuch eine geringere Zugfestigkeit auf als die Mindestzugfestigkeit des
Grundwerkstoffs. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zugfestigkeit der Doppel-Überlapp-Stöße
oberhalb der Zugfestigkeit der Doppel-T-Stöße liegt.
Die Laborversuche mit einer mechanisierten, schwerkraftgetriebenen Schweißvorrichtung
haben gezeigt, dass diese Art der Schweißvorrichtung für das Schweißen von mehrlagigen
Kehlnähten ungeeignet ist, da die Elektroden aufgrund des Widerstandes der unteren
Schweißraupen unzureichend abgleiten. Die Induktionsversuche haben gezeigt, dass sich
mit Hilfe dieser Nachwärmmethode der Wasserstoffgehalt und die Härte reduzieren und sich
die Zugfestigkeit steigern lässt. Dies konnte sowohl für eine hohe Energieeinbringung als
auch bei geringerer Erwärmung durch den Induktor beobachtet werden. Aufgrund der geringen
Nahtqualität und dem ungleichmäßigen Schweißverhalten weisen die Ergebnisse jedoch
eine deutliche Streuung auf. Zudem wurde nur eine geringe Anzahl an Proben untersucht,
wodurch die Ergebnisse nicht als repräsentativ angesehen werden können und lediglich eine
Tendenz aufzeigen.
Die Ziele des Forschungsvorhabens wurden erreicht.

Ziel der Untersuchungen
II
II
Ziel der Untersuchungen
Die Ziele des Projektes sind die Abschätzung der mechanisch-technologischen Eigenschaften
nass unterwassergeschweißter Kehlnahtverbindungen unter realen Bedingungen und die
Reduzierung der wasserstoffinduzierten Rissbildung bei mechanisiert geschweißten Kehlnähten.
Zur Erreichung der Ziele ist geplant, den bereitgestellten Spundwandwerkstoff auf seine mechanischen
Eigenschaften und seine chemische Zusammensetzung zu untersuchen. Zudem
sollen von geschulten Tauchschweißern in einem Tauchbecken und mit Hilfe einer mechanisierten
schwerkraftgetriebenen Schweißvorrichtung Kehlnahtverbindungen geschweißt werden.
Aus den geschweißten Verbindungen sollen anschließend Zugproben entnommen und
im Zugversuch geprüft werden. Des Weiteren ist vorgesehen Wasserstoffmessungen an
dafür vorbereiteten Proben durchzuführen. Im Rahmen der Versuche im Tauchschweißbecken
sollen die beiden gebräuchlichen Schweißpositionen fallend (PG) und horizontal (PB)
unter verschiedenen Schweißströmen und mit unterschiedlicher Nahtvorbereitung (brenngeschnitten
oder gefräst) untersucht werden.
Das Ziel der Schweißversuche unter Laborbedingungen ist die Erprobung der induktiven
Nachwärmung zur Reduzierung der wasserstoffinduzierten Rissbildung und zur Verbesserung
der mechanisch-technologischen Eigenschaften. Hierzu werden Kehlnahtverbindungen
in Wannenposition (PA) geschweißt und der Einfluss der Stromstärke, der Nahtvorbereitung
und des verwendeten Schweißzusatzes untersucht. Nach dem Schweißen werden einige
Proben mit Hilfe eines für die Kehlnahtform angepassten Induktors mit unterschiedlichen
Nachwärmprogrammen wärmebehandelt und der Einfluss dieser Wärmebehandlung auf den
Wasserstoffgehalt und die mechanischen -Eigenschaften der Verbindung untersucht werden.

Wissenschaftliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen
III
III Wissenschaftliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen
Zur Reduzierung der Materialdicken und auf Grund des Ausbaus der Offshore-
Windenergiegewinnung finden vermehrt höherfeste Stähle Einsatz in der maritimen Umgebung.
Insbesondere infolge von Reparaturfällen, aber auch bei der Montage, tritt die Unvermeidlichkeit
auf diese Werkstoffe Unterwasser zu fügen. Das nasse Unterwasserschweißen
mit Stabelektrode bietet hier ein wirtschaftliches und flexibles Verfahren die Fügeoperationen
in nasser Umgebung, ohne die Notwendigkeit teurer Habitate und komplexer Prozesse
durchzuführen.
Das Schweißen in nasser Umgebung stellt auf Grund der kurzen Abkühlzeiten und des höheren
Kohlenstoffäquivalentes, im Vergleich zu den konventionell eingesetzten Stählen geringerer
Festigkeit, eine besondere Herausforderung dar. Die hohen Abkühlgeschwindigkeiten
und die erhöhten Kohlenstoffäquivalente führen hierbei zu einer kritischen Aufhärtung der
Umgebung der Schweißnaht. Zudem kommt es im Lichtbogen zur Dissoziation eines Teils
des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff. Aufgrund der hohen Löslichkeit von Wasserstoff
in der flüssigen Schmelzegeht ein Teil des durch die Dissoziation entstandenen Wasserstoffs
in Lösung. Infolge der schnellen Abkühlung wird die Effusion des Wasserstoffs aus der Fügezone
deutlich behindert. Hierdurch verbleibt dieser in erhöhten Konzentrationen im Metallgitter.
Innerhalb des Gitters kommt es zu einer Diffusion des atomaren Wasserstoffs hin zu
Wasserstofffallen, wie etwa Versetzungen. An diesen Wasserstoffansammlungen kommt es
zur Ausbildung von Spannungen, Versetzungslokalisation und Dekohäsion, infolge derer es
zu Bildung von Rissen kommen kann, welche auch verzögert, Stunden bis Tage nach dem
Schweißen entstehen können. Dieser Effekt wird als wasserstoffinduzierte Rissbildung bezeichnet.
Die Gefahr der wasserstoffinduzierten Rissbildung wird durch die hohe Härte aufgrund
des erhöhten Kohlenstoffäquivalentes gesteigert.
Die gesteigerte Neigung höherfester Stähle zur Wasserstoffinduzierter Rissbildung beim
nassen Unterwasserschweißen beschränkt den Einsatz- und Planungssicherheit bei maritimen
Konstruktionen und Tragwerken. Hierdurch ergibt sich der Bedarf einer Prozessmethodik,
mit welcher auch höherfeste Stähle sicher und wirtschaftlich in nasser Umgebung gefügt
werden können.

Wissenschaftliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen
IV
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.405 N / DVS Nr. V4.2264 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.

Wissenschaftliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen
V
Durchgeführte Transfermaßnahmen
Maßnahme Ziel Ort/Rahmen Datum/Zeitraum
Information über Projekt mit
Kurzbeschreibung und Ansprechpartner
im Internetauftritt
Bekanntmachung
des Forschungsvorhabens,
Gewinnung
weiterer PA-
Mitglieder
Aachen
Mit Projektbeginn
(03/2020)
Aufnahme in den Tätigkeitsbericht/Jahresbericht
ISF
Bekanntmachung
des Forschungsvorhabens,
Gewinnung
weiterer PBA-
Mitglieder
Aachen
Tätigkeitsbericht
des laufenden
Jahres
(04/2021)
(04/2022)
Ansprache weiterer PA-
Mitglieder
Intensivierung des
Ergebnistransfers
während der Projektlaufzeit
auf Sitzungen und
Tagungen
Fortlaufend während
der Projektlaufzeit
Sitzung des projektbegleitenden
Ausschusses
Projektsteuerung /
Transfer von Zwischenergebnissen
zu den Mitgliedern
des PA
Sitzungen
(Hybridveranstaltung)
02.03.2020
21.09.2021
29.03.2022
04.10.2022
Zwischenberichte vor dem
FA V4 “Unterwassertechnik“
der Forschungsvereinigung
Schweißen und
verwandte Verfahren e.V.
des DVS
Transfer an die Unternehmen
und Diskussion
von Zwischenergebnissen
vor dem Fachausschuss
V4 „Unterwassertechnik“
Zwischenbericht
21.07.2020
21.05.2021
10.03.2022

Wissenschaftliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen
VI
Geplante Transfermaßnahmen:
Maßnahme Ziel Ort/Rahmen Datum/Zeitraum
Veröffentlichung des Abschlussberichtes
auf den
Internetseiten der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte
Verfahren e.V. des DVS
Breite Streuung der
Forschungsergebnisse
DVS
3 Monate nach
Projektende
Abschlusspräsentation vor
dem FA V4 “Unterwassertechnik“
der Forschungsvereinigung
Schweißen
und verwandte Verfahren
e.V. DVS
Transfer und Diskussion
der Forschungsergebnisse
an die Unter-nehmen
des Arbeitskreises
Im Rahmen der
Fachausschusssitzung
1. Sitzung nach
Projektabschluss
Berichterstattung in der
Arbeitsgruppe V4 „Unterwassertechnik“
des Ausschusses
für Technik (AfT)
des DVS - Deut-scher
Verband für Schwei-ßen
und verwandte Ver-fahren
e. V.
Erstellung eines Merkblattes
und Erarbeitung
von Richtlinien
Im Rahmen der
Sitzung der Arbeitsgruppe
ca.8 Monate nach
Projektende
Vortrag auf Tagungen
Transfer der Ergebnisse
Tagung Unterwasser-technik
des DVS - Deutscher
Verband
für Schweißen
und verwandte
Verfahren e. V.
und DVS-
CONGRESS
2023
Berichterstattung
Transfer der Ergebnisse
DVS-Newsletter,
DVS-Magazin
Nach Projektende
Veröffentlichung der Ergebnisse
Transfer der Ergebnisse
Jahresbericht der
Forschungsvereinigung
Schweißen und
verwandte Verfahren
e.V. des
DVS
Nach Projektende
Veröffentlichung der Ergebnisse
in Fachzeitschrif-
Transfer der Ergebnisse
an die persönlichen
und industriellen Mit-
Nationale und
internationale
Veröffentlichun-
Nach Projektende

Wissenschaftliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen
VII
ten
Transfer der Projektergebnisse
in die Industrie über
Fachveranstaltungen
glieder des DVS, Nutzung
der Inhalte in
Dissertationen
Transfer der Ergebnisse
in KMU
gen, u.a.
„Schweißen und
Schneiden“ und
„Welding and
Cutting“,
„Welding in the
World“
Industriekolloquium
des ISF, Arbeitskreise
der
Schweißfachingenieure
der
DVS-BV
Nach Projektende
Nutzung der Projektergebnisse
in der akademischen
Lehre
Ausbildung von Studenten
der Studiengänge
Maschinenbau
und Werkstoffingenieurwesen
an der
RWTH, Nutzung für
Schweißfachingenieurlehrgänge
am ISF
Im Rahmen von
Vorlesungen und
Übungen
Nach Projektende
fortlaufend
Nutzung der Projektergebnisse
bei der Beratung von
Unternehmen
Transfer der Ergebnisse
in KMU
Im Rahmen von
Machbarkeitsstudien
Nach Projektende
Nutzung der Projektergebnisse
durch die Mitglieder
des projektbegleitenden
Ausschusses
Transfer der Ergebnisse
in KMU
Fachberatung
durch Ingenieurbüros,
Ausbildung
von Unterwasserschweißern
Nach Projektende
fortlaufend

Wissenschaftliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen
VIII
Verwendung der Zuwendung
Die für das Forschungsprojekt geleisteten Arbeiten waren angemessen und zur Erreichung
des Forschungszieles notwendig.
I.1 Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1 des Finanzierungsplans)
Folgendes Personal wurde während der Projektlaufzeit eingesetzt:
Forschungseinrichtung 1 (ISF):
Für die durchzuführenden Arbeiten wurde an der Forschungseinrichtung 1 ein wissenschaftlicher
Mitarbeiter in Vollzeit für 23,95 Personenmonate beschäftigt.
I.2 Geräte (Einzelansatz B des Finanzierungsplans)
Für die durchzuführenden Arbeiten wurde an der Forschungseinrichtung 1 ein Induktionsgenerator,
sowie ein an die Kehlnahtform angepasster Induktor angeschafft. Zudem wurde eine
Schweißstromquelle für das nasse Unterwasserschweißen beschafft.
I.3 Leistungen Dritter (Einzelansatz C des Finanzierungsplans)
Es wurden keine Leistungen Dritter in Anspruch genommen.
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten
Die Projektziele wurden im Wesentlichen erreicht. Die geleisteten Arbeiten waren notwendig
und angemessen.
Schutzrechte
Es wurden im Rahmen des vorliegenden Projektes keine gewerblichen Schutzrechte erworben.
Eine Anmeldung eines gewerblichen Schutzrechtes ist nicht beabsichtigt.

Inhaltsverzeichnis 9
IV Inhaltsverzeichnis
I Zusammenfassung I
II Ziel der Untersuchungen II
III Wissenschaftliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen III
IV Inhaltsverzeichnis 9
V Abbildungsverzeichnis 11
VI Tabellenverzeichnis 13
1. Anlass für den Forschungsantrag 14
1.1 Einleitung 14
1.2 Stand der Technik 17
2. Zielstellung und Arbeitshypothese 23
3. Lösungsweg 25
4. Untersuchungsergebnisse 28
4.1 AP1 Erstellung einer Versuchsmatrix und Planung der Tauchschweißversuche 28
4.2 AP2 Schweißen der Prüfstücke unter Praxisbedingungen durch erfahrene
Unterwasserschweißer 33
4.3 AP3 Auswahl und Ausarbeitung von Proben 34
4.4 AP4 Bestimmung der mechanisch technologischen Eigenschaften 37
4.5 AP5 Versuchsauswertung und Bewertung der Ergebnisse 39
4.6 AP6 Optimierung der Ergebnisse mit angepassten Parametern und Festlegung
von Sicherheitsbeiwerten 45
4.7 AP7 Konstruktion und Planung eines Induktors zur Wärmebehandlung 47
4.8 AP8 Modifikation der Versuchsanlage, Probenvorbereitung, Induktorbau 48
4.9 AP9 Induktor Erprobung und Parameteranpassung 51
4.10 AP10 Induktive Wärmenachbehandlung von nass unterwassergeschweißten
Kehlnähten in Laboranlage 53
4.11 AP11 Gefügeuntersuchung, Härtemessungen, Wasserstoffmessung 56
4.12 AP12 Auswertung der Laborversuche 59
5. Abschließende Bewertung der Ergebnisse 63
6. Ausblick 64
7. Formales 65
8. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit
den Zielen. 66
9. Wissenschaftlich-technischer u. wirtschaftlicher Nutzen der
Forschungsergebnisse für KMU 68
9.1 Wissenschaftlich-technische Ergebnisse 68

Inhaltsverzeichnis 10
9.2 Wirtschaftliche Ergebnisse 68
9.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit 69
VII Literaturverzeichnis 70

Abbildungsverzeichnis 11
V
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Wasserstofflöslichkeit in Stahl nach [7] 15
Abbildung 2: Wasserstoffinduzierte Nahtunterrisse bei einer mehrlagigen Kehlnaht 16
Abbildung 3:
Schematische Darstellung des nassen Unterwasserschweißprozesses mit
Stabelektrode 18
Abbildung 4: Wasserstoffgehalte in Abhängigkeit vom Gefüge nach [6] 19
Abbildung 5: Versuchsaufbau von Brätz et al. nach [16] 20
Abbildung 6: Versuchsaufbau links und Ergebnisse des Tekken-Tests rechts nach [17] 21
Abbildung 7: Ermittelte Wasserstoffgehalte von Lenz et al. [5] 22
Abbildung 8: Projektplan 25
Abbildung 9: Tauchschweißbecken des Kompetenzzentrums für das Tauchwesen 26
Abbildung 10: Versuchsbecken mit Schwerkraftschweißvorrichtung links und Induktor mit
Doppel-Überlappprobe rechts 27
Abbildung 11: Schematische Darstellung einer Wasserstoffkehlnahtprobe 28
Abbildung 12: Ergebnisse der Materialzugprüfung 31
Abbildung 13: Ergebnisse der Kerbschlagprüfung 32
Abbildung 14: Befestigung der Proben im Becken 33
Abbildung 15: Schweißen einer Naht an einer Doppel-T-Probe 34
Abbildung 16: Schweißnaht an einer Doppel-T-Probe 35
Abbildung 17: Schematischer Zuschnitt der Zugproben 35
Abbildung 18: Schliffbild einer Doppel-T-Probe mit Rissen 36
Abbildung 19: Exemplarische Darstellung der Härtelinien an einer Doppel-T-Probe 37
Abbildung 20: Exemplarische Zugprobe links vor und rechts nach der Prüfung 38
Abbildung 21: Kraft-Weg-Verlauf mit zugeordneten Versagenserscheinungen 38
Abbildung 22: Infrarotofen IR07 mit Wasserstoffkehlnahtprobe 39
Abbildung 23: Härtelinien der mit 160 A in Position PG geschweißten Doppel-T-Probe 40
Abbildung 24: Risse an Naht B vor (rechts) und nach (links) der Härteprüfung 41
Abbildung 25: Härteverläufe einer Naht der mit 167 A in der Wurzel geschweißten
Doppel-T-Probe und der Wasserstoffkehlnahtproben 41
Abbildung 26: Härtemapping der mit 160 A in Position PG geschweißten
Wasserstoffkehlnahtprobe 42
Abbildung 27: Mittlere maximal ertragene Zugkräfte bei den Tauchschweißversuchen 43
Abbildung 28: Ermittelte Wasserstoffgehalt bei den Tauchschweißversuchen 44
Abbildung 29: Berechnung der maximal zulässigen Spannung nach DIN EN 1993-1-8 45
Abbildung 30: Berechnung der maximalen Zugspannung 46
Abbildung 31: Mittlere ertragene Zugspannung 46
Abbildung 32: Induktor aus dem Vorgängerprojekt 47
Abbildung 33: Konstruktionszeichnung des angepassten Induktors [25] 48

Abbildungsverzeichnis 12
Abbildung 34: Aufbau der Werkstückhalterung links mit einer Auftragsschweißung und rechts
schematisch mit einem T-Stoß 49
Abbildung 35: Brennschnitt von Probenmaterial links und Wasserstoffarmglühen der
Wasserstoffproben rechts 49
Abbildung 36: Aufbau für die Induktive Wärmenachbehandlung 50
Abbildung 37: Schematische Darstellung der Thermoelementpositionierung links und
exemplarische Temperaturmessung während der Wärmenachbehandlung
rechts 51
Abbildung 38: Ungleichmäßige Erwärmung der Schweißnaht 52
Abbildung 39: Leistungsverläufe bei der Wärmenachbehandlung 53
Abbildung 40: Exemplarische mit der Schwerkraftschweißvorrichtung hergestellte
Mehrlagennaht 53
Abbildung 41: Schlechte Anbindung bei einer HV-Naht 54
Abbildung 42: Temperaturmessung bei einer Schweißung mit 190 A 54
Abbildung 43: Glühfarbe bei der induktiven Wärmenachbehandlung 55
Abbildung 44: Schliffbilder je einer Schweißnaht einer mit 160 A geschweißten
Überlappprobe mit und ohne Wärmenachbehandlung 56
Abbildung 45: Makro- und Mikroschliffe der mit 160 A geschweißten
Wasserstoffkehlnahtproben mit und ohne Wärmenachbehandlung 57
Abbildung 46: Härtelinien der mit 160 A geschweißten Wasserstoffkehlnahtproben mit und
ohne Wärmenachbehandlung 58
Abbildung 47: Einfluss der Wärmenachbehandlung auf den Wasserstoffgehalt in der
Schweißnaht 59
Abbildung 48: Durchschnittliche Höchstzugkraft über die Schweißstromstärke 60
Abbildung 49: Gemittelte maximale Zugspannung in Abhängigkeit der
Wärmenachbehandlung 61

Tabellenverzeichnis 13
VI Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Versuchsmatrix für die Tauchschweißversuche 29
Tabelle 2: Versuchsmatrix für die Laborversuche 30
Tabelle 3: Chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffs 32
Tabelle 4: Einflüsse der induktiven Wärmenachbehandlung auf die Verbindung 61

Anlass für den Forschungsantrag 14
1. Anlass für den Forschungsantrag
1.1 Einleitung
Das deutsche Bundeswasserstraßennetz beinhaltet etwa 7300 km Binnenwasserstraße und
ungefähr 23000 Quadratkilometer Seewasserstraßen [1]. Zudem enthält es eine große Anzahl
an Wasserbauwerken und -anlagen wie Schleusen, Wehranlagen oder Über- und Unterführungen
von Kanälen. Insbesondere bei Schleusen und Kanälen kommen Spundwände als
Bauelemente zum Einsatz. Diese bestehen größtenteils aus niedrig legierten Baustählen der
Güten S235GP bis S355GP. Aus Gründen der Langlebigkeit und der Ressourceneinsparung
finden seit einiger Zeit jedoch auch Spundwände aus höherfesten Werkstoffen wie S430GP
und S460GP Anwendung [2]. Da die meisten dieser Bauwerke bereits seit mehreren Jahren
oder Jahrzehnten im Einsatz sind, gibt es in diesem Bereich einen sehr hohen Sanierungsbedarf
[3]. Hieraus ergibt sich häufig die Notwendigkeit von Reparaturschweißungen, welche
aufgrund der Zugänglichkeit in nasser Umgebung erfolgen.
Das von der Bundesregierung 2023 neu veröffentlichte Erneuerbare Energie Gesetz (EEG)
sieht vor, dass bis zum Jahr 2030 mindestens 80% des in der Bundesrepublik genutzten
Stromes aus erneuerbaren Energien gewonnen wird. Im Jahr 2022 belief sich der Anteil an
erneuerbaren Energien auf ca. 44%, wobei mit etwa 22% der größte Anteil durch Windkraft
erzeugt wurde [4]. Der Ausbau von Offshore-Windkraftanlagen bietet hierbei einen Ansatz
dieses vom EEG geforderten Ziel zu erreichen. Für den Bau dieser Windkraftanlagen werden
insbesondere Stähle der Güte S355, aber auch Stähle der Güte S460, eigesetzt. Die Gründungsstrukturen
solcher Windkraftanlagen, welche sich in Wassertiefen von bis zu 40 m befinden
können, worden zumeist als Schweißkonstruktionen ausgelegt. Hierbei können derartige
Bauteile Gesamtschweißnahtlängen von über 1000 Metern aufweisen. Die Fertigung
dieser Schweißung geschieht in den meisten Fällen an Land. Infolge von zu erwartenden
Reparaturen im Laufe des Lebenszyklus solcher Gründungsstrukturen sind Reparaturschweißungen
Unterwasser jedoch nur schwer vermeidbar. [5]
Beide oben beschriebenen Anwendungsbereiche bedingen im Reparaturfall den Einsatz der
Schweißtechnik Unterwasser. Das nasse Unterwasserschweißen ist eines der wesentlichen
Verfahren zur Reparatur von Bauwerken in nasser Umgebung. Es ist ein etabliertes Verfahren,
für welches bei den gängigen im maritimen Bereich Anwendung findenden unlegierten
Baustählen ausreichend Erfahrung bei den ausführenden Tauchschweißern vorliegt. Das
nasse Unterwasserschweißen höherfester Stähle mit einem Kohlenstoffäquivalent über 0,4
%, welches als obere Grenze für das nasse Unterwasserschweißen empfohlen wird, ist jedoch
aktuell noch nicht ausreichend etabliert. Aus diesem Grund gibt es bei den ausführenden
Firmen kaum Erfahrung beim Verarbeiten dieser Werkstoffe. Auch die konstruktive Auslegung
von Schweißverbindungen an diesen Werkstoffen gestaltet sich aufgrund der mangelnden
Grundlage an zu erwartenden Festigkeiten schwierig. Da die Verwendung höherfester
Stähle eine Reduzierung der Wandstärke und somit des Gewichtes bei gleichbleibender
oder sogar gesteigerter Steifigkeit und Festigkeit erlaubt, bietet eine Substitution des Grundwerkstoffs
einen attraktiven Ansatz zur Kostensenkung. Zudem kann die Verwendung von
Werkstoffen höherer Festigkeit eine Reduktion der Nahtdicke ermöglichen, was aufgrund der
hohen Nahtkosten beim nassen Unterwasserschweißen zu erheblichen Einsparungen führen
kann.

Anlass für den Forschungsantrag 15
Das höhere Kohlenstoffäquivalent dieser Stähle führt jedoch zu einer gesteigerten Gefahr
der Aufhärtung infolge des Schweißens. Die Aufhärtung stellt beim Unterwasserschweißen
durch die sehr geringen Abkühlzeiten ohnehin ein nicht zu vernachlässigendes Risiko dar
und hierdurch zusätzlich erhöht. Zudem kommt es im Lichtbogen zur Dissoziation des umgebenden
Wassers zu Wasserstoff und Sauerstoff [6]. Wie in Abbildung 1 gezeigt, nimmt die
Aufnahmefähigkeit des Stahls von elementarem Wasserstoff mit steigender Temperatur zu.
Abbildung 1: Wasserstofflöslichkeit in Stahl nach [7]
Hierdurch diffundiert Wasserstoff in das flüssige Schweißgut und reichert sich in diesem an.
Infolge der schnellen Abkühlung durch die nasse Umgebung wird die Effusion des Wasserstoffs
größtenteils unterbunden und elementarer Wasserstoff lagert sich im Metallgitter an.
Dieser elementare Wasserstoff kann sich im Verlauf von Stunden oder Tagen an beispielsweise
Gitterfehlstellen ansammeln und dort zu molekularem Wasserstoff rekombinieren. Da
molekularer Wasserstoff eine wesentlich größere räumliche Ausdehnung besitzt als elementarer
Wasserstoff, kommt es hierdurch zur Entstehung von Spannungsfeldern, welche mit
zunehmender Rekombination ansteigen. Infolge der verminderten Verformbarkeit aufgrund
der gesteigerten Härte durch das höhere Kohlenstoffäquivalent und die geringen Abkühlzeiten
kann es zur Versprödung des Werkstoffs und zur Rissbildung kommen. Dieses Phänomen
wird als Wasserstoffversprödung oder wasserstoffinduzierte Rissbildung bezeichnet.
Diese ist exemplarisch in Abbildung 2 gezeigt.
Bereits durchgeführte Untersuchungen in einem Vorgängerprojekt haben ergeben, dass die
Wasserstoffversprödung, wie in der Abbildung gezeigt, bei mehrlagig geschweißten Kehlnähten
häufig zu Unternahtrissen im Bereich der Grobkornzone führt. Diese Risserscheinungen
sind von außen für den Tauchschweißer nicht sichtbar und können somit ohne den Einsatz
spezieller Messemethoden nicht detektiert werden. Da wasserstoffinduzierte Risse erst nach
Stunden oder Tagen auftreten können, müsste zu ihrer Detektion eine zeitversetzte Kontrolle
durchgeführt werden. Da ein erneutes Auftreten derartiger Risse jedoch auch nach einem
Ausschleifen und Neuschweißen der Naht nicht ausgeschlossen werden kann, bietet sich an
dieser Stelle ein Verbesserungsansatz [5].

Anlass für den Forschungsantrag 16
Abbildung 2: Wasserstoffinduzierte Nahtunterrisse bei einer mehrlagigen Kehlnaht
Die genannten Herausforderungen und die mangelnde Erfahrung beim Schweißen von
mehrlagigen Kehlnähten an höherfesten Stählen in nasser Umgebung bildet die Basis für
dieses Forschungsprojekt. Die Untersuchung der mechanisch-technologischen Eigenschaften
von Tauchschweißern geschweißter Kehlnahtverbindungen kann eine Grundlage für die
konstruktive Auslegung von nass unterwassergeschweißten Nähten bei Montagen und Reparaturschweißungen
an Bauteilen aus höherfestem Stahl bieten.
Einen Ansatz zur Reduktion der Aufhärtung, sowie der Wasserstoffversprödung liefert eine
dem Schweißen nachgelagerte Wärmebehandlung. Hierfür stellt das induktive Nachwärmen
ein vielversprechendes Verfahren dar.

Anlass für den Forschungsantrag 17
1.2 Stand der Technik
Das Unterwasserschweißen kann in verschiedene Verfahrensvarianten unterschieden werden.
Bei dem Verfahren des trockenen hyperbaren Unterwasserschweißens wird das Bauteil
lokal vom Wasser getrennt. Hierfür werden Kammern, sogenannte Habitate, verwendet, in
denen der Schweißer bei erhöhtem Druck unter Luft oder einem anderen Gasgemisch
schweißt. Die im Bereich der Fügestelle verbleibende Restfeuchte führt zu einer Beeinträchtigung
beim Schweißen, dennoch lassen sich mit diesem Verfahren qualitativ hochwertige
Nähte erzeugen, welche mit Schweißungen an Atmosphäre vergleichbar sind. Die hohen
Kosten und der Zeitaufwand beim Aufbau der Kammern stellen einen wesentlichen Nachteil
dieses Verfahrens dar. Das trockene Unterwasserschweißen bietet insbesondere bei
Schweißungen in großen Tiefen, in denen sich Schweißtaucher nicht lange aufhalten können
Vorteile. Schweißungen in sehr großen Tiefen von etwa 300 m können nur noch mit Robotern
durchgeführt werden. [8]
Das halb nasse Unterwasserschweißen stellt eine Zwischenstufe zwischen dem trockenen
hyperbaren und dem nassen Unterwasserschweißen dar. Bei diesem Verfahren wird direkt in
der Wasserumgebung geschweißt. Das Wasser wird hierbei mit Hilfe eines Schutzgasstroms
von der Schweißstelle verdrängt und diese so trocken gehalten und die Schweißnaht von
Sauerstoff abgeschirmt [9]. Die Abkühlgeschwindigkeiten der Schweißzone sind hier mit Abkühlgeschwindigkeiten
an Atmosphäre vergleichbar. Auch die mechanischen Eigenschaften
der Verbindung und die Nahtqualitäten sind mit an Atmosphäre geschweißten Nähten vergleichbar
[8]. Aufgrund von Wasserdampf in den Schutzgasdüsen und dem hohen benötigten
Schutzgasdruck kann es zu vermehrter Porenbildung im Schweißgut kommen. Beim trockenen
und halb nassen Unterwasserschweißen wird in der Regel das Metallschutzgasschweißen
angewendet [10]. Das Verfahren bietet eine geringere Flexibilität als das nasse
Unterwasserschweißen mit Stabelektrode.
Beim nassen Unterwasserschweißen befindet sich die Schweißzone im direkten Kontakt
zum Wasser [9]. Hierdurch kommt es zu einer Veränderung der Lichtbogenausbildung, der
Dissoziation von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff, sowie zu hohen Abkühlgeschwindigkeiten
im Bereich der Fügezone [8]. Der entstehende Wasserstoff diffundiert teilweise in
die Schmelze, wohingegen der entstehende Sauerstoff einen Abbrand von Legierungselementen
begünstigt. Beide Effekte bewirken einer Reduktion der Schweißnahtqualität [6]. Neben
der Schweißung selbst, wird auch der Tauchschweißer durch schlechtere Sichtverhältnisse
und die vorherrschenden Strömungsverhältnisse beeinflusst [11]. Beim nassen Unterwasserschweißen
wird hauptsächlich das Schweißen mit Stabelektrode eingesetzt. Das Verfahren
bedarf im Vergleich zu den beiden anderen genannten Verfahren einen geringeren
apparativen Aufwand. Die zentralen Ausrüstungsgegenstände, welche benötigt werden, umfassen
neben der Stabelektrode und einer für das nasse Unterwasserschweißen angepassten
Schweißstromquelle mit verringerter Leerlaufspannung eine Atemluftversorgung und eine
Kommunikationsmöglichkeit für den Taucher. Die Schweißstromquelle wird hierbei nicht von
dem Tauchschweißer selbst, sondern von einer an der Oberfläche befindlichen weiteren
Person bedient [12]. Das Prinzip des nassen Unterwasserschweißens mit Stabelektrode ist
schematisch in Abbildung 3 dargestellt.

Anlass für den Forschungsantrag 18
Abbildung 3:
Schematische Darstellung des nassen Unterwasserschweißprozesses mit
Stabelektrode
Die Kennzeichnung für das nasse Unterwasserschweißen zugelassener Elektroden ist in der
DIN 2302 geregelt. Hierbei gilt, dass Elektroden, welche für die Verwendung in Frisch- oder
Süßwasser zugelassen sind, auch in Salzwasser verwendet werden dürfen, da der Salzgehalt
die Schweißung aufgrund der besseren Leitfähigkeit des Wassers begünstigt [13]. Verwendung
finden hauptsächlich Rutil- oder Teilrutil umhüllte Stabelektroden mit einem
Durchmesser von 3,2 mm aus unlegiertem Baustahl. Zur Verringerung der Wasserstoffversprödung
werden vereinzelt auch Elektroden mit erhöhtem Nickelanteil eingesetzt, um ein
austenitisches Schweißgut zu erzeugen, da austenitisches Gefüge wesentlich größere Mengen
an Wasserstoff aufnehmen kann als ferritisches Gefüge [6].
Die Messung von diffusibelem Wasserstoff in Schweißgut wird im Allgemeinen nach der
Norm DIN EN ISO 3690 durchgeführt. In dieser Norm wird die Bestimmung des Wasserstoffgehaltes
von Schweißzusatzwerkstoffen anhand von Auftragsschweißungen geregelt. Da
das nasse Unterwasserschweißen kein Bestandteil dieser Norm ist und somit die Besonderheiten
des Verfahrens bei der Anwendung dieser Norm nicht berücksichtigt werden, haben
Klett und al. die Anwendbarkeit der Norm für das nasse Unterwasserschweißen untersucht.
Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden mit unterschiedlichen Stabelektroden in 0,5 m
Wassertiefe an einer automatisierten Schweißanlage je drei Probengeometrien nach der
Norm geschweißt. In der Norm wird eine maximal erlaubte Zeitspanne zwischen dem Erlöschen
des Lichtbogens und der Lagerung der Probe in einem Kühlbad von 20 Sekunden
angegeben. Die von Klett et al. durchgeführten Versuche ergaben, dass der Gehalt an diffusibelem
Wasserstoff mit zunehmender Zeitdauer zwischen dem Schweißen und der Lagerung
im Kühlbad sinkt. Bei einer Steigerung der Wartezeit vor dem Kühlbad von 20 s auf 300
s konnte eine Reduktion des gemessenen Wasserstoffgehaltes von etwa 22 % festgestellt
werden.[14]
Dass die Verwendung austenitischer Schweißzusätze den Anteil an diffusibelem Wasserstoff
in der Schweißnaht verringern kann und mehr Wasserstoff in getrappter Form vorliegt, wurde
in einer weiteren Studie von Klett et al. gezeigt. Im Rahmen dieser Studie wurden mit Elekt-

Diffusibeler Wasserstoffgehalt [ml /100 g Schweißgut]
Anlass für den Forschungsantrag 19
roden aus ferritischem Stahl, Duplexstahl, austenitischem Chrom-Nickel-Stahl und einer Nickelbasislegierung
in 0,5 m Wassertiefe Schweißnähte unterschiedlicher Gefüge erzeugt und
auf ihren Wasserstoffgehalt untersucht. Die Autoren kamen zu dem Ergebnis, dass sich mit
gesteigerten austenitischen Anteilen im Schweißgut der Wasserstoffgehalt signifikant reduzieren
lässt. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in Abbildung 4 dargestellt. Wie dort
gezeigt, lässt sich der diffusibele Wasserstoffgehalt im Schweißgut durch Verwendung eines
austenitischen Schweißzusatzwerkstoffs um bis zu über 90 % reduzieren. Die von den Autoren
durchgeführten Untersuchungen haben zudem eine Reduktion des diffusibelen Wasserstoffs
im Schweißgut von bis zu über einem Drittel bei ferritischem und bis unterhalb von 5
ml / 100 g Schweißgut bei austenitischem Zusatzwerkstoff durch Tempern der Schweißnaht
durch weitere Raupen gleicher Güte gezeigt. [6]
F: Ferritisch
M: Größtenteils martensitisch
MA: Martensitisch-austenitisch
A: Größtenteils austenitisch
Abbildung 4: Wasserstoffgehalte in Abhängigkeit vom Gefüge nach [6]
Ein anderer Ansatz zur Reduktion der Härte und der wasserstoffinduzierten Rissbildung,
welcher in der Praxis bereits Anwendung findet, ist die Verwendung der Temper-Bead-
Technik. Bei dieser vor allem im Ausland, wie den USA, eingesetzten Technik wird das
Schweißgut durch die Schweißung einer weiteren Temperraupe nachgewärmt. Dabei sind
bestimmte zeitliche Abstände einzuhalten und die Temperraupe darf die Wärmeeinflusszone
der getemperten Naht nicht erfassen. Dies macht diese Technik teuer und zeitaufwendig.
Zudem benötigt der ausführende Tauchschweißer ausreichend Erfahrung im Umgang mit
dieser Technik. [15]
Die Reduktion des diffusibelem Wasserstoffgehaltes infolge der Wärmenachbehandlung
durch das Schweißen weiterer Lagen ist ebenfalls in der Studie von Klett et al. beobachtet
worden [6]. Tomkow et al. haben in einer Studie die mechanisch-technologischen Eigenschaften
mit der Temper-Bead-Technik geschweißter T-Stöße untersucht. In der Studie wurde
mit den beiden höherfesten niedriglegierten Grundwerkstoffen S460ML und S460N zwei
Stähle mit unterschiedlichem Kohlenstoffäquivalent untersucht. Die von den Autoren durchgeführten
Untersuchungen zeigten eine Reduktion der Härte der Wärmeeinflusszone, sowie
der Anzahl der in Ihr auftretenden Risse. Bereits vor dem Tempern entstandene Risse ließen
sich durch die Temper-Bead-Technik nicht reparieren. Die Untersuchung legt zudem nahe,

Anlass für den Forschungsantrag 20
dass der Effekt des Temperns bei Werkstoffen mit höherem Kohlenstoffäquivalent größer ist.
[10]
Neben dem Schweißprozess bieten auch Wärmebehandlungen einen Ansatz zur Reduktion
der Wasserstoffsprödigkeit und zur Verbesserung der mechanisch technologischen Eigenschaften.
Brätz et al. haben die Verwendung der induktiven Wärmenachbehandlung für das
nasse Unterwasserschweißen untersucht. Bei ihren Versuchen verwendeten sie einen über
die Schweißnaht nachgeführten Induktor. Die Nachwärmdauer betrug 60 s und der Abstand
des Induktors zur Nahtoberfläche wurde mit Hilfe einer PTFE-Folie auf 2 mm gehalten [16].
Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 5 dargestellt.
Abbildung 5: Versuchsaufbau von Brätz et al. nach [16]
Die durchgeführten Untersuchungen haben ergeben, dass sich durch die induktive Wärmenachbehandlung
der Gehalt an diffusibelem Wasserstoff reduzieren lässt. Eine Verringerung
der Härte der WEZ konnte aufgrund der geringen Temperaturen beim Nachwärmen
nicht eindeutig festgestellt werden, jedoch war eine geringe Steigerung der Zähigkeit zu erkennen.
[16]
Zhang et al. haben ebenfalls Untersuchungen zum induktiven Nachwärmen beim Unterwasserschweißen
durchgeführt. In ihrer Studie wurden mit dem Metallschutzgasschweißen mit
Fülldrahtelektrode in Wannenposition Auftragsnähte geschweißt. Eine Induktionsspule wurde
in festem Abstand von unten hinter dem Schweißbrenner geführt. Die eingebrachte Wärmeenergie
der Induktionsspule wurde über die Induktionsspannung variiert. Die mechanischen
Eigenschaften der wärmenachbehandelten Stupfnähte wurde anschließend in Abhängigkeit
von der eingebrachten Wärme mittels Zug-, Kerbschlagbiege- und
Drei-Punkt-Biegeversuchen, sowie mit Hilfe von Tekken-Tests ermittelt [17]. Der Versuchsaufbau
ist neben den Ergebnissen des Tekken-Tests in Abbildung 6 dargestellt.

Anlass für den Forschungsantrag 21
Schweißrichtung
L
Fülldraht
Rissanteil (%)
Induktionsspannung (V)
Abbildung 6: Versuchsaufbau links und Ergebnisse des Tekken-Tests rechts nach [17]
Durch die induktive Wärmenachbehandlung ließen sich im Rahmen dieser Studie die mechanischen
Eigenschaften und das Gefüge der Verbindungen verbessern. Die Verbesserung
der mechanischen Eigenschaften war durch Verwendung höherer Induktionsspannungen
größer. Insbesondere beim Tekken-Test konnte das Auftreten von Rissen von ca. 80% auf
bis zu etwa 10 % reduziert werden. [17]
Lenz et al. haben die induktive Wärmenachbehandlung beim nassen Unterwasserschweißen
mit Stabelektrode untersucht. Hierbei wurden Auftragsnähte geschweißt
und mit Hilfe eines stationären, die gesamte Naht erfassenden Induktors nachgewärmt.
Im Rahmen dieser Versuche wurden zwei Nachwärmprogramme untersucht.
Die Schweißnähte wurden bis knapp unterhalb der AC1-Temperatur und bis oberhalb
der AC3-Temperatur erwärmt und anschließend gezielt abgekühlt. Die Wasserstoffmessungen
wurden in dieser Studie mit zwei aufeinanderfolgenden Messungen bei
400 °C zur Detektion des diffusibelen und 600 °C zur Messung des getrappten Wasserstoffs
für jeweils 45 min durchgeführt [5]. Abbildung 7 zeigt die Ergebnisse der
Untersuchungen.

Anlass für den Forschungsantrag 22
Abbildung 7: Ermittelte Wasserstoffgehalte von Lenz et al. [5]
Die Untersuchungen ergaben neben der Reduktion des Gesamtwasserstoffgehaltes bei beiden
Temperaturzyklen, dass sich ein Teil des diffusibel vorliegenden Wasserstoffs durch
eine Nachwärmung bis zur A C1-Temperatur hi zum getrappten Wasserstoff verlagert. Zudem
konnte durch eine Erwärmung bis zur A C3-Temperatur das Gefüge der WEZ rekristallisiert
und somit die Härte der Wärmeeinflusszone reduziert werden. [5]

Zielstellung und Arbeitshypothese 23
2. Zielstellung und Arbeitshypothese
Das Ziel des Projektes ist eine Bewertung der mechanischen und technologische Eigenschaften
unter realen Bedingungen von ausgebildeten und geprüften Tauchschweißern nass
unterwassergeschweißter Kehlnahtverbindungen an einem höherfesten Spundwandstahl der
Güte S430GP. Des Weiteren sollen mit Hilfe einer mechanisierten, schwerkraftgetriebenen
Schweißvorrichtung unter Laborbedingungen geschweißte Kehlnahtverbindungen am gleichen
Grundwerkstoff mit einem speziell an die Kehlnahtgeometrie angepassten Induktor
induktiv wärmenachbehandelt und so ihre mechanisch-technologischen Eigenschaften verbessert
und die wasserstoffinduzierte Rissbildung verringert werden. Zur Bewertung der mechanischen
Eigenschaften sollen die geschweißten Nähte im Zugversuch und mit Hilfe der
Härteprüfung nach Vickers untersucht werden. Zudem soll durch Verwendung der Trägergasheißextraktion
der diffusibel und der getrappt vorliegende Wasserstoffgehalt ermittelt
werden.
Arbeitshypothesen:
Die Arbeitspakete, sowie die Ziele des Projektes lassen sich in die Tauchschweißversuche
unter realen Bedingungen und die induktiven Wärmenachbehandlungsversuche unter Laborbedingungen
unterteilen. Für die Tauchschweißversuche unter realen Bedingungen lassen
sich die folgenden Arbeitshypothesen aufstellen:
• Schweißeignung:
o Höherfeste Stähle mit einem Kohlenstoffäquivalent oberhalb von 0,4% stellen
eine besondere Herausforderung an die Handfertigkeit des Schweißers dar.
o Die Festigkeit mehrlagiger an dem höherfestem Grundwerkstoff geschweißter
Kehlnähte liegt im Bereich der Festigkeit gleicher Schweißungen an niedrigfesterem
Grundwerkstoff.
o Die Sicherheitsbeiwerte zur Auslegung nass unterwassergeschweißter Konstruktionen
und Bauteile sind zu streng bemessen und können reduziert werden.
Für die Versuche zur induktiven Wärmenachbehandlung der gesamten Schweißnahtlänge
am Stück der unter Laborbedingungen geschweißten Nähte können die folgenden Arbeitshypothesen
aufgestellt werden.
• Gefüge:
o Durch die Verwendung der induktiven Wärmenachbehandlung ist es möglich
gezielt t 8/5-Zeiten und Werkstoffgefüge einzustellen
• Werkstoffeigenschaften:
o Die Wärmenachbehandlung erlaubt es die Zugfestigkeit der Schweißverbindung
zu erhöhen und die Härte insbesondere in der Wärmeeinflusszone zu
reduzieren.
• Wasserstoff:
o Durch die nachgelagerte Wärmeeinbringung kann der diffusibel in der Fügezone
vorliegende Wasserstoff ausdiffundieren

Zielstellung und Arbeitshypothese 24
o
Die Verringerung des Wasserstoffgehaltes und die Reduzierung der Härte
führt zu einer Verminderung der Risserscheinungen

Lösungsweg 25
3. Lösungsweg
Das Projekt beinhaltet mehrere Teilziele, welche schematisch in Abbildung 8 dargestellt sind.
Die Untersuchungen im Rahmen des Projektes unterteilen sich in unter realen Bedingungen
von ausgebildeten Tauchschweißern, sowie unter mechanisiert unter Laborbedingungen
durchgeführte Versuche. Die Rahmenbedingungen und das Vorgehen wurden hierbei in Absprache
mit dem projektbegleitenden Ausschuss (PA) festgelegt. Hierbei wurde eine Vorgehensweise
ähnlich der des Vorgängerprojektes gewählt. Auch das verwendete Tauchbecken,
sowie das für die Laborversuche genutzte Wasserbecken und die schwerkraftgetrieben
Schweißvorrichtung entsprechen den im Vorgängerprojekt verwendeten Einrichtungen.
Projekt
Verbesserung der mechanisch technologischen Eigenschaften von nass
unterwassergeschweißten Kehlnähten an hochfesten Stählen
Projektziel
Bewertung der mechanischen Eigenschaften von# nass
unterwassergeschweißten Kehlnähten und Verbesserung der mechanischtechnologischen
Eigenschaften durch induktives Nachwärmen
Teilziele
Schweißung von Kehlnähten
mechanisiert unter
Laborbedingungen mit induktiver
Wärmenachbehandlung
Schweißung von Proben durch
geschulte Tauchschweißer unter
realen Bedingungen in einem
Tauchbecken
Vorgehensweise
• Untersuchung verschiedener
Prozessparameter und
Nahtvorbereitungen
• Wärmenachbehandlung mit
unterschiedlichen
Temperaturführungen
• Untersuchung verschiedener
Prozessparameter und
Schweißpositionen
• Zugversuche
• Härteprüfungen
• Wasserstoffmessungen
Nutzen für die
KMU
• Möglichkeit der
Wärmenachbehandlung
• Verbessertes
Prozessverständnis
• Bewertung der Anwendung
findenden Kennwerte für die
konstruktive Auslegung
• Bewertung der Möglichkeiten
der Wärmenachbehandlung
Abbildung 8: Projektplan
Die Durchführung der Schweißversuche im Tauchbecken erfolgte durch erfahrene Tauchschweißer
im Kompetenzzentrum für das Tauchwesen des Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt
Westdeutsche Kanäle in Bergeshövede. Das Tauchbecken in welchem die Schweißungen
durchgeführt werden, ist in Abbildung 9 gezeigt. In Abstimmung mit dem projektbegleitenden
Ausschuss wurden die Schweißungen in den Schweißpositionen fallend PG und als
Kehlnaht in PB ausgeführt. Die Schweißungen wurden an Proben aus dem hochfesten

Lösungsweg 26
Spundwandwerkstoff S430GP durchgeführt. Als Schweißzusatzwerkstoff wurde vom PA die
Elektrode Phönix Nautica 20 mit der Normbezeichnung DIN 2302 - E 42 0 Z RA 2 UW 10 fr
des Unternehmens voestalpine Böhler Welding Germany festgelegt, welche bis zu Wassertiefen
von 20 m eingesetzt werden kann. Verwendet wurde für die Schweißungen ein sekundärgetaktetes
Elektrodenschweißgerät zum nassen Unterwasserschweißen des Typs 200 E-
UW des Herstellers AMT GmbH mit zusätzlicher Akkufunktion, wobei die Schweißstromquelle
im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen ausschließlich im Netzbetrieb verwendet
wurde.
Abbildung 9: Tauchschweißbecken des Kompetenzzentrums für das Tauchwesen
Die mechanischen Eigenschaften des Grundwerkstoffes wurde mit Hilfe einer Materialzugprüfung,
sowie anhand von Kerbschlagbiegeproben jeweils längs und quer zur Walzrichtung
ermittelt. Die chemische Zusammensetzung wurde durch eine Funkenspektralanalyse bestimmt.
Die Schweißungen unter Laborbedingungen wurden mit Hilfe einer schwerkraftgetriebenen
Abschweißvorrichtung in einem Wasserbecken in Wannenposition PA durchgeführt. Ausgewählte
Proben wurden anschließend mit einem Induktor der Firma EFD-Induction GmbH
nachgewärmt. Hierbei wurde der Induktor so konzipiert, dass die gesamte Naht am Stück
wärmenachbehandelt werden konnte. Der Versuchsaufbau für das Schweißen, sowie das
Nachwärmen sind in Abbildung 10 gezeigt.

Lösungsweg 27
Abbildung 10: Versuchsbecken mit Schwerkraftschweißvorrichtung links und Induktor mit
Doppel-Überlappprobe rechts
Alle Schweißversuche wurden mit derselben Schweißstromquelle, sowie Stabelektroden der
gleichen Charge durchgeführt. Während der Schweißungen wurde mit Hilfe einer hierfür programmierten
LabVIEW-Anwendung über Messmodule des Unternehmens National Instruments
Corp. die Schweißstrom- und Schweißspannungsverläufe und die Wassertemperatur
gemessen Die unter realen Bedingungen und unter Laborbedingungen geschweißten Proben
wurden anschließend auf ihren Wasserstoffgehalt, ihre Zugfestigkeit, sowie ihre Härte
untersucht. Zudem wurde anhand von Schliffbildern die Nahtgeometrie betrachtet.
Abschließend wurde untersucht, inwieweit sich durch die induktive Wärmenachbehandlung
die mechanisch-technologischen Eigenschaften verbessern und die wasserstoffinduzierte
Rissbildung reduzieren lassen. Zudem wurde anhand der Ergebnisse der Zugprüfung eine
Betrachtung der in der konstruktiven Auslegung Anwendung findenden Sicherheitsbeiwerte
vorgenommen.

Untersuchungsergebnisse 28
4. Untersuchungsergebnisse
4.1 AP1 Erstellung einer Versuchsmatrix und Planung der Tauchschweißversuche
Die Versuche lassen sich in die beiden Kategorien reale Tauchschweißversuche und Laborversuche
unterteilen. Bei den realen Tauchschweißversuchen ist die Nähe zur Praxis des
nassen Unterwasserschweißens ein wesentlicher Bestandteil der Versuchsplanung. Aus
diesem Grund werden diese Schweißungen in dem in Abbildung 9 gezeigten Lehrtauchbecken
des Kompetenzzentrum für das Tauchwesen des Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt
Westdeutsche Kanäle in Bergeshövede von erfahrenen und geprüften Berufstaucher durchgeführt.
Da die Schweißungen als mehrlagige Kehlnahtverbindungen ausgeführt werden
sollen, werden zur Bestimmung der mechanisch-technologischen Eigenschaften mit dem
Doppel-T- oder Kreuzstoß und dem Doppel-Überlapp-Stoß zwei unterschiedliche Kehlnahtgeometrien
betrachtet. Die Proben werden über die gesamte Breite von 150 mm verschweißt.
Zur Bewertung des diffusibelen Wasserstoffgehaltes werden zudem Proben entsprechend
der Norm DIN 3690 Probenform D vorgesehen [18]. Da sich die Norm jedoch auf die Bestimmung
des diffusibelen Wasserstoffs in Schweißgut auf Basis einer Auftragsschweißung
beschränkt und somit der Wasserstoffgehalt an mehrlagig geschweißten Kehlnähten nicht
ermittelt werden kann, wurde auf Basis der Normgeometrie eine an die Kehlnaht angepasste
Geometrie entwickelt, welche schematisch in Abbildung 11 dargestellt ist. Die Maße der
Wasserstoffkehlnahtprobe wurden analog zur Probenform D nach Norm gewählt.
Abbildung 11: Schematische Darstellung einer Wasserstoffkehlnahtprobe
Neben den Wasserstoffkehlnahtproben werden für jeden Schweißparametersatz parallel
Referenzproben nach Norm angefertigt, um die Ergebnisse der neuen Probengeometrie zu
validieren. Die Wasserstoffmessungen werden in Anlehnung an die Norm durchgeführt. Da
diese jedoch nicht eins zu eins auf das nasse Unterwasserschweißen übertragbar ist, mussten
Anpassungen durchgeführt werden. Da direkt in nasser Umgebung geschweißt wird, ist
die Einhaltung der Abschreckung der Probe in einem Zeitintervall von 3 bis 5 Sekunden nicht
möglich. Zudem kann aufgrund des umgebenden Wassers auf die Kupferspannvorrichtung
zur Wärmeableitung und beschleunigten Abkühlung der Probe verzichtet werden. Des Weiteren
ist es für den Taucher nicht möglich innerhalb der normativ vorgeschriebenen 20 Sekunden
nach Abschrecken der Probe diese in flüssigen Stickstoff zu lagern. Die An- und Auslau-

Untersuchungsergebnisse 29
stücke werden mit Hilfe des Wolframintergasschweißens ohne Schweißzusatzwerkstoff mit
der eigentlichen Probe verbunden. Dies soll eine Gewichtsveränderung der Probe verhindern.
Die Schweißungen werden in zwei in der Praxis häufig auftretenden Schweißpositionen geschweißt.
Hierbei liegt der Fokus vor allem auf der Steignahtposition PG. Als zweite zu untersuchende
Position wird die horizontale Kehlnahtposition PB festgelegt. Zur Untersuchung
des Einflusses der Nahtvorbereitung auf die Verbindungseigenschaften werden die Proben
sowohl mit Brennschnittkante und anschließender Nachbearbeitung durch Schleifen als auch
mit gefräster Kante konzipiert. In Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurde
zur Reduktion des Versuchsaufwandes beschlossen auf die Schweißungen der Proben mit
gefräster Kantenvorbereitung sowohl bei den realen als auch bei den Laborversuchen zu
verzichten. Hieraus wurde die in Tabelle 1 dargestellte Versuchsmatrix abgeleitet.
Tabelle 1: Versuchsmatrix für die Tauchschweißversuche
Versuch Stoß Position Stromstärke
Verbindungsproben
1 Doppel-T PG 160
2 Doppel-T PG 167 (W)
3 Doppel-T PB 160
4 Doppel-Überlapp PG 160
5 Doppel-Überlapp PG 167 (W)
6 Doppel-Überlapp PB 160
Wasserstoffproben
7 Kehlnahtprobe PG 160
8 Kehlnahtprobe PG 167 (W)
9 Kehlnahtprobe PG 190
10 Kehlnahtprobe PB 160
11 Referenzprobe PG 160
12 Referenzprobe PG 167 (W)
13 Referenzprobe PG 190
14 Referenzprobe PB 160
Für die Schweißversuche im Tauchbecken werden die zu untersuchenden Verbindungen mit
einer Wurzel- und einer Decklage ausgeführt. Die Decklage wird mit zwei Strichraupen geschweißt.
Bei der Wasserstoffkehlnahtprobe wird die Decklage in Absprache mit den Tauchschweißern
pendelnd geschweißt. Da in der Praxis die Wurzellage mit einem etwas höheren
Strom als Deck- und Zwischenlagen geschweißt wird, wurde die Versuchsmatrix um eine
Schweißung mit 167 A in der Wurzel- und 160 A in der Decklage erweitert. Zudem wurden

Untersuchungsergebnisse 30
zuvor vorgesehene Verbindungsschweißungen bei 190 A entfernt, da solche Schweißströme
keine praktische Relevanz haben.
Die Versuchsmatrix der Laborschweißversuche ist in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2: Versuchsmatrix für die Laborversuche
Versuch Stoß Elektrode Nahtflanke Spalt NW Strom
Verbindungsproben
1 Überlapp-Stoß Nautica 20 90° - Nein 150
2 Überlapp-Stoß Nautica 20 90° - Nein 170
3 Überlapp-Stoß Nautica 20 90° - Nein 180
4 Überlapp-Stoß Nautica 20 90° - Nein 200
5 T-Stoß Nautica 20 90° - Ja 160
6 T-Stoß Nautica 20 90° - Ja 190
7 T-Stoß Nautica 20 60° HV - Ja 160
8 T-Stoß Nautica 20 60° K - Ja 160
9 Überlapp-Stoß Nautica 20 90° - Ja 160
10 Überlapp-Stoß Nautica 20 90° - Ja 190
11 Überlapp-Stoß Nautica 20 90° 1 mm Ja 160
12 Überlapp-Stoß Nautica 20 120° - Ja 160
Wasserstoffproben
13 Kehlnahtprobe Nautica 20 90° - Nein 150
14 Kehlnahtprobe Nautica 20 90° - Nein 170
15 Kehlnahtprobe Nautica 20 90° - Nein 180
16 Kehlnahtprobe Nautica 20 90° - Nein 200
17 Kehlnahtprobe Nautica 20 90° - Ja 160
18 Kehlnahtprobe Nautica 20 90° - Ja 190
19 Kehlnahtprobe Nautica 20 90° 1 mm Ja 160
20 Referenzprobe Nautica 20 90° - Nein 160
21 Referenzprobe Nautica 20 90° - Nein 170
22 Referenzprobe Nautica 20 90° - Nein 180
23 Referenzprobe Nautica 20 90° - Nein 200
24 Referenzprobe Nautica 20 90° - Ja 160
25 Referenzprobe Nautica 20 90° - Ja 190
26 Referenzprobe Nautica 20 90° 1 mm Ja 160

Untersuchungsergebnisse 31
Die Verbindungsproben der Laborschweißversuche werden als einfache T- und Überlapp-Stöße
konzipiert. Zudem werden die Laborschweißungen als Dreilagenschweißung mit
einer Wurzelraupe, zwei Strichraupen als Zwischenlage und drei Strichraupen als Decklage
vorgesehen. Die mit Wärmenachbehandlung vorgesehenen Parametersätze werden in dreifacher
Ausführung geschweißt. Die erste Ausführung wird ohne Wärmenachbehandlung geschweißt.
Die beiden weiteren werden jeweils bis zur A C1- beziehungsweise bis oberhalb der
A C3-Temperatur nachgewärmt.
Vor der Durchführung der Schweißungen ist eine Charakterisierung des Grundwerkstoffs
vorgesehen. Für diese werden Werkstoffzugproben in Anlehnung an die Norm DIN EN ISO
6892-1 geprüft [19]. Als Probengeometrie werden Flachzugproben der Form E 8 x 25 x 80
nach DIN 50125 gefertigt [20]. Neben den Materialzugproben werden des Weiteren Kerbschlagbiegeproben
nach Charpy geprüft. Bei beiden Prüfmethoden werden die Werkstoffeigenschaften
längs und quer zur Walzrichtung betrachtet. Zudem wird der Werkstoff mittels
Funkenspektralanalyse auf seine chemische Zusammensetzung untersucht. Das Ergebnis
der Materialzugprüfung ist in Abbildung 12 und das Ergebnis der Kerbschlagbiegeprüfung in
Abbildung 13 gezeigt.
Längs Quer
E ≈ 189.000 ≈ 218.000
R e ≈ 470 ≈ 485
R m ≈ 610 ≈ 595
ε max ≈ 0,257 ≈ 0,177
Abbildung 12: Ergebnisse der Materialzugprüfung
Der untersuchte Werkstoff zeigt anisotropes Verhalten in Bezug auf die Walzrichtung der
Spundwandbohle. Die quer zur Walzrichtung entnommene Probe weist eine verminderte
Verformbarkeit bei geringfügig höherer Streckgrenze auf. Zudem ist hier der Bereich der Lüdersdehnung
ausgeprägter als bei der längs zur Walzrichtung entnommenen Probe. Die ermittelten
Werkstoffeigenschaften erfüllen die Herstellerangaben und normativen Vorgaben.

Untersuchungsergebnisse 32
Abbildung 13: Ergebnisse der Kerbschlagprüfung
Auch bei der Kerbschlagprüfung ist eine Anisotropie erkennbar. Hier lassen sich deutlich
Unterschiede zwischen den Eigenschaften feststellen. DIN EN ISO 148-1 gibt eine Mindestkerbschlagarbeit
von 27 J bei 0 °C an [21]. Diese wird nur für Proben längs zur Walzrichtung
gefordert und somit erfüllt er hier untersuchte Werkstoff die normative Anforderung.
Die chemische Zusammensetzung des verwendeten Grundwerkstoffs wurde mittels einer
Funkenspektralanalyse bestimmt und ist in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3: Chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffs
Bezeichnung DIN EN 10027
Chemische Zusammensetzung
in % Masseanteil
Kurzname Werkstoffnummer C Mn Si P S N
S430GP 1.0523 0,160 1,290 0,185 0,024 0,028 0,01
Auch die chemische Zusammensetzung entspricht den Angaben des Herstellers und den
normativen vorgaben. Das Kohlenstoffäquivalent des Werkstoffs kann mit der Formel
CEV = C + Mn
6
+ Cu + Ni
15
Cr + Mo + V
+
5
CEV: Kohlenstoffäquivalent
C: Kohlenstoff
Mn: Mangan
Cu: Kupfer
Ni: Nickel
Cr: Chrom
Mo: Molybdän
V: Vanadium

Untersuchungsergebnisse 33
Berechnet werden und ergibt sich zu ca. 0,45 %. Somit liegt das Kohlenstoffäquivalent oberhalb
der für das nasse Unterwasserschweißen empfohlenen 0,4 %. [16]
4.2 AP2 Schweißen der Prüfstücke unter Praxisbedingungen durch erfahrene Unterwasserschweißer
Die Schweißungen unter Praxisbedingungen werden an zwei Terminen in einem zu Ausbildungs-
und Prüfungszwecken genutzten Tauchbecken im Kompetenzzentrum für das
Tauchwesen in Bergeshövede durchgeführt. Die Proben wurden von zwei geprüften Tauchschweißern
geschweißt. Die Wassertiefe des Beckens beträgt etwa 4 m. Die Proben werden
an einem Schweißtisch befestigt, welcher sich auf dem Grund des Beckens befindet. Hierdurch
soll eine passende Arbeitsposition für den Taucher ermöglicht werden. Die Befestigung
der Proben an einem Schweißtisch ist exemplarisch an Land in Abbildung 14 gezeigt.
Wie in der Abbildung zu erkennen, sind die Proben für die Schweißpositionen PG und PB in
unterschiedlicher Höhe angebracht. Der Schweißtisch hat eine Höhe von ca. 1,3 m. Die
Schweißungen in PB-Position erfolgen somit in etwa 2,7 m Wassertiefe. Die Schweißungen
in Position PG werden bei ungefähr 2 m Wassertiefe durchgeführt. Hieraus resultieren geringe
Unterschiede in der Wassertiefe und somit im Umgebungsdruck der Schweißstelle. In der
Abbildung ist zudem ein an die Wasserstoffkehlnahtprobe geheftetes Blech zu sehen. Dieses
wird ebenfalls mit einem WIG-Prozess ohne Schweißzusatzwerkstoff an die Probe geheftet
und dient dem Masseanschluss. Auch bei den Wasserstoffreferenzproben nach Norm wird
ein solches Masseblech verwendet.
Abbildung 14: Befestigung der Proben im Becken
Die Doppel-T- und Doppel-Überlapp-Stöße werden mit jeweils 4 Nähten bestehend aus 3
Strichraupen geschweißt. Um den Verzug der Proben beim Schweißen zu verringern werden
die Wurzellagen zuerst überkreuz geschweißt und anschließend erst die Decklagen geschweißt.
Je nach Handhabung des Werkstücks vom Taucher kann es zu unterschiedlichen
Schweißrichtungen bei den einzelnen Nähten kommen. Das Schweißen der Naht einer Probe
ist in Abbildung 15 gezeigt.

Untersuchungsergebnisse 34
Abbildung 15: Schweißen einer Naht an einer Doppel-T-Probe
Die zu schweißenden Proben werden dem Taucher einzeln heruntergegeben. Anschließend
werden sie verschweißt. Nach dem Schweißen wird die Schlacke von der Naht entfernt und
die Naht gesäubert. Wenn alle Nähte einer Probe geschweißt und gesäubert sind, wird die
Probe von dem Taucher ausgespannt über eine Leiter an die Wasseroberfläche gebracht.
Dort wird die Probe angenommen und dem Taucher eine neue Probe gegeben.
Die Wasserstoffproben werden nach der Übergabe in einem Behältnis mit flüssigem Stickstoff
abgekühlt. Die An- und Auslaufstücke der kalten Probe können infolge der tiefen Temperatur
mi Hilfe eines Hammers entfernt und der mittlere Probenteil anschließend in einem
Langzeittransportbehälter in flüssigem Stickstoff bis zur Wasserstoffmessung gelagert werden.
Während der Schweißungen werden mit Hilfe eines Messrechners die Parameter
Schweißstrom, Schweißspannung und Wassertemperatur für jede Schweißraupe aufgezeichnet.
Aus den so gewonnenen Daten und den Schweißnahtlängen werden anschließend
im Rahmen der Versuchsauswertung die Streckenenergien bestimmt.
4.3 AP3 Auswahl und Ausarbeitung von Proben
Nach der Durchführung der Schweißungen werden die Nähte einer Sichtprüfung unterzogen.
Eine Schweißnaht an einer Doppel-T-Probe ist in Abbildung 16 abgebildet. Zur Zuordnung
der Schweißnähte zu den durchgeführten Messungen sind die vier Seiten nummeriert und
geben dem Schweißer die Reihenfolge vor in welcher die Nähte zu schweißen sind. Über
Funk gibt der Taucher Auskunft über die als nächstes zuschweißende Naht und Lage.

Untersuchungsergebnisse 35
Abbildung 16: Schweißnaht an einer Doppel-T-Probe
Aus den geschweißten Doppel-T- und Doppel-Überlapp-Stößen werden anschließend drei
Zugproben ausgearbeitet. Hierbei werden die Anfangs- und Endbereiche abgetrennt und
diese werden in makroskopischen Schliffbildern untersucht. Die Zugproben werden mit einer
Bandsäge auf eine Breite von etwa 30 mm aus der Naht geschnitten und anschließend an
einer Fräse spanend auf 25 mm breite gebracht. Hierbei werden etwa 20 cm vom Nahtanfang
und 20 cm vom Ende der Schweißnaht abgetrennt und für Schliffbilder verwendet Der
Zuschnitt der Zugproben ist schematisch in Abbildung 17 dargestellt. Nach dem Fräsen wird
auf eine der Seiten der Zugproben eine weiße Lackschicht aufgebracht, welche mit einem
schwarzen stochastischem Punktmuster versehen wird. Dies wird für den Einsatz der digitalen
Bildkorrelation benötigt. Hierbei wird über zwei Kamerasysteme während der Zugprüfung
das Punktemuster erkannt und aus der Relativbewegung der Punkte die Probendeformation
berechnet. Neben der Deformation kann über die Kameras auch das Versagen der Probe
beobachtet und analysiert werden.
Rest
30 mm 30 mm
30 mm
Rest
Abbildung 17: Schematischer Zuschnitt der Zugproben

Untersuchungsergebnisse 36
Eines der Schliffbilder ist exemplarisch in Abbildung 18 gezeigt. Neben der Erstellung von
Schliffbildern werden einige dieser Anfangs- und Endstücke einer Härteprüfung nach Vickers
unterzogen. Hierbei werden über die vier Nähte Härtelinien gezogen. Für die Doppel Überlapp
Proben werden keine Härtemessungen vorgesehen. Des Weiteren werden die Schliffbilder
zur Bestimmung der Nahtgeometrie verwendet, welche zur Spannungsberechnung im
Rahmen der Zugversuche eingesetzt wird.
Auch die Wasserstoffkehlnaht- und Wasserstoffreferenzproben werden nach der Messung
des Wasserstoffgehaltes für die Erstellung von Schliffbildern präpariert. Hierzu werden ca. 1
cm vom Anfang und vom Ende der Probe abgetrennt und geschliffen. Die Schliffbilder dienen
zur Bestimmung der Nahtquerschnittsfläche, welche zur Bestimmung des diffusibelen Wasserstoffgehaltes
bezogen auf das gesamte Schweißgut benötigt wird. Für die mit 160 A in
Position PG geschweißte Wasserstoffkehlnahtprobe wird zudem ein Härtemapping angefertigt.
Bei den Wasserstoffkehlnahtproben dienen die Schliffbilder neben der Bestimmung der
Nahtgeometrie zusätzlich zur Dokumentation des Spaltes zwischen den beiden Teilen der
Probe. Dieser kann einen Einfluss auf den gemessenen Wasserstoffgehalt haben, da in den
Spalt eindringendes Wasser in Kontakt mit dem Lichtbogenkommen kann und die Schweißnaht
zudem durch den Wasserkontakt im Spalt zusätzlich gekühlt wird.
Unternahtriss
Wurzelriss
Abbildung 18: Schliffbild einer Doppel-T-Probe mit Rissen
Bei einigen der Schweißnähte können Risserscheinungen in den Schliffbildern erkannt werden.
Zur Untersuchung des Rissaufkommens bei den zu prüfenden Zugproben werden diese
mit einer Farbeindringprüfung untersucht. Hierbei sind jedoch nur geringfügig Risse zu erkennen.
Bei der Betrachtung des Schliffbilds sind auch variierende Nahtgeometrien erkennbar.
Einige der Schweißnähte weisen unterschiedliche Nahtschenkellängen auf. Somit liegt
an diesen Nähten eine kleinere Anbindungsfläche vor. Dies wird bei der späteren Auswertung
der Zugversuche im Rahmen der Spannungsermittlung berücksichtigt. Bei den Wasserstoffkehlnahtproben
variieren die Nahtschenkellängen nur geringfügig. Dies kann damit zusammenhängen,
dass die Decklage bei den Wasserstoffkehlnahtproben aus einer gependelten
Raupe und nicht aus zwei Strichraupen besteht.

Untersuchungsergebnisse 37
4.4 AP4 Bestimmung der mechanisch technologischen Eigenschaften
Zur Bestimmung der mechanisch-technologischen Eigenschaften werden die Zugprüfung
und die Härteprüfung eingesetzt. Die Härteprüfung nach Vickers wird als Härtelinienuntersuchung
an den Anfangs- und Endstücken ausgewählter Doppel-T- und Wasserstoffkehlnahtproben
durchgeführt. An einer Wasserstoffkehlnahtprobe wird zudem ein Härtemapping erstellt.
Die Prüfkraft für die Härtelinien beträgt HV1 und für das Härtemapping HV0,5. Die Härtelinien
an den Doppel-T-Proben werden im 45° Winkel vom Grundwerkstoff eines Steges
über die Schweißnaht bis zum Grundwerkstoff des nächsten Steges erstellt. Für eine Probe
werden nach diesem Schema je vier Härtelinien, eine Linie über jede Schweißnaht, erstellt.
Dies ist exemplarisch an einer Probe in Abbildung 18 gezeigt. Hierbei sind die Proben in den
Darstellungen so angeordnet, dass die zuerst geschweißte Naht rechts oben liegt.
Abbildung 19: Exemplarische Darstellung der Härtelinien an einer Doppel-T-Probe
Die Härtelinien an den Doppel-T-Proben wurden für die Parameter 160 A Schweißstrom,
Position PG und 167 A Schweißstrom in der Wurzellage, Position PG erstellt. Bei den Wasserstoffkehlnahtproben
wurden die Härtelinien für die Parameter Schweißstrom 160 A, Position
PB und Schweißstrom 190 A, Position PG erstellt. Das Härtemapping wurde für die mit
160 A in Position PG geschweißte Wasserstoffkehlnahtprobe erstellt.
Die Ausarbeitung der Zugproben erfolgt in Anlehnung an die Norm DIN EN ISO 9018. Aufgrund
der Beschränkung der Schweißnahtlänge durch die Elektrodenausziehlänge kann die
geforderte Probenlänge von mindestens 350 mm nicht eingehalten werden. Im Rahmen der
Zugprüfung werden die Proben durch das Kamerasystem der digitalen Bildkorrelation aufgenommen.
Die Aufnahmen des Versagenseintritts können im Anschluss an die Zugprüfung
untersucht und mit ihnen das Versagensverhalten und die Zustände kurz vor dem Versagenseintritt
analysiert werden. Abbildung 20 zeigt exemplarisch die Aufnahmen des Kamerasystems
einer Probe vor und nach dem Versagen. In dieser Abbildung ist auch das

Kraft [N]
Untersuchungsergebnisse 38
stochastische Punktmuster, welches für die digitale Bildkorrelation aufgetragen wird zu erkennen.
Abbildung 20: Exemplarische Zugprobe links vor und rechts nach der Prüfung
Mit Hilfe des Messsystems, in welches auch die Kameras eingebunden sind, kann jedem
Kamerabild, die zum Zeitpunkt der Aufnahme wirkende Zugkraft zugeordnet werden. Dies
ermöglicht es Auffälligkeiten im Kraft-Weg-Verlauf mit den Kameras erfassten Ereignissen zu
assimilieren. Dies ist in Abbildung 21 gezeigt.
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Weg [mm]
Abbildung 21: Kraft-Weg-Verlauf mit zugeordneten Versagenserscheinungen
Die auftretenden Versagenseintritte der beiden versagten Schweißnähte lassen sich den im
Kraft-Weg-Verlauf zu erkennenden Kraftabfällen entsprechend ihres Entstehungszeitpunktes
zuordnen. Hierbei führt das Versagen der ersten Naht zu einem Kraftabfall, welcher durch
die zweite Schweißnaht aufgefangen wird. Eine Auswertung der auftretenden Verformung ist
nicht vorgesehen.
Die Wasserstoffmessungen werden mit Hilfe der Trägerheißgasextraktion in Anlehnung an
die DIN EN ISO 3690 durchgeführt [18]. Die Wasserstoffextraktion erfolgt in einem Infrarotofen,
welcher mit einer eingelegten Wasserstoffkehlnahtprobe in Abbildung 22 gezeigt ist.
Die Messung des diffundierenden Wasserstoffanteils erfolgt mit einem Analysesystem G8
Galileo des Unternehmens Bruker Corporation. Zur Messung des Wasserstoffgehaltes wird
die zu prüfende Probe aus dem Behälter mit flüssigem Stickstoff in einem Ethanol-Bad aufgetaut.
Anschließend wird die Probe in einem Aceton-Bad gereinigt und mit warmer Luft getrocknet.
Die Probe wird daraufhin im Infrarotofen auf 400 °C erwärmt. Die Temperatur wird
für einen Zeitraum von 45 Minuten gehalten. Hierdurch gast der diffusibele Wasserstoffanteil

Untersuchungsergebnisse 39
aus. Zur zusätzlichen Messung des residualen Wasserstoffanteils wird die Probe direkt im
Anschluss für 45 Minuten auf 600 °C erwärmt.
Probe
Abbildung 22: Infrarotofen IR07 mit Wasserstoffkehlnahtprobe
Nach der Wasserstoffmessung werden ca. 10 mm vom Anfang und Ende der Wasserstoffproben
abgetrennt, um anhand von Schliffbildern die Nahtquerschnittsflächen bestimmen zu
können. Mit Hilfe der so bestimmten Nahtquerschnittsflächen werden anschließend die Wasserstoffgehalte
des gesamten Schweißgutes H F ermittelt.
4.5 AP5 Versuchsauswertung und Bewertung der Ergebnisse
Zur Untersuchung und Bewertung der bei den unter realen Bedingungen geschweißten Nähten
auftretenden Härten werden an Doppel-T-Proben über alle vier Nähte Härtelinien nach
Vickers erstellt. Die Untersuchung aller vier Schweißnähte bei den Doppel-T-Proben erlaubt
es mögliche Beeinflussungen der Härte in den Schweißbereiche durch die Schweißungen
der nebenliegenden Nähte festzustellen. Für die Doppel-T-Proben werden zur Erstellung
jeder Härtelinie 50 Messeindrücke erstellt. Bei den Wasserstoffkehlnahtproben werden für
die Härtelinie 30 Messungen durchgeführt.
In dem von der American Welding Society herausgegebenem Standard „Underwater
Welding Code“ AWS D3.6 wird für die Klasse B mit den geringsten Anforderungen an die
Härte ein maximal zulässiger Wert von 375 HV10 angegeben [22].
Die Ergebnisse der Härteprüfung der mit 160 A in Position PG geschweißten Doppel-T-Probe
ist für alle Nähte in Abbildung 23 gezeigt. Hier sind die Härtelinien aller vier
Schweißnähte dargestellt. Da die Härteverläufe aller vier Schweißnähte ähnlich ist, lässt sich
keine Beeinflussung der Härte durch die nachfolgend geschweißten Nähte erkennen. Die
dargestellten Verläufe zeigen eine Härte im Grundwerkstoff von etwa 200 bis 230 HV1. Im
Bereich des Schweißgutes steigt die Härte auf ca. 300 HV1 an. Die vom Hersteller des
Schweißzusatzes angegebene Härte des reinen Schweißgutes beträgt 220 bis 260 HV10.
Hierbei sind jedoch keine weiteren Randbedingungen als das Schweißen mit Strichraupentechnik
angegeben. Somit sind beispielsweise für die zur Erzeugung der Proben verwendete
Stromstärke und die Schweißposition nicht angegeben. Die erhöhten Härtewerte im

Untersuchungsergebnisse 40
Schweißgut können aus der Vermischung des Schweißzusatzwerkstoff mit dem Grundwerkstoff,
sowie aus der Schweißung mit anderen elektrisch Parametern resultieren.
Naht A
Härte HV1
500
375
250
125
0
Naht B
Härte HV1
500
375
250
125
0
Naht C
Härte HV1
500
375
250
125
0
Naht D
Härte HV1
500
375
250
125
0
Abbildung 23: Härtelinien der mit 160 A in Position PG geschweißten Doppel-T-Probe
Die Abbildung zeigt zudem, dass die Härte der Wärmeeinflusszone erwartungsgemäß am
höchsten ist. Die Härte der Wärmeeinflusszone liegt bei allen vier Schweißnähten an mindestens
einem Messpunkt oberhalb der in der AWS D3.6 für die Bewertungsklasse B angegebenen
Grenze von 375 HV. Die Härteprüfung zeigt, dass die raschen Abkühlgeschwindigkeiten
hier zu kritischen Härtewerten in der WEZ führen. Die mittlere Streckenenergie der
Schweißnähte liegt hier bei ca. 2500 J/mm. Die Untersuchung der Schliffbilder zeigt zudem,
dass insbesondere in den Bereichen der Wärmeeinflusszone nahe der Schmelzlinie, in denen
die in der Abbildung zu erkennenden kritischen Härtewerte vorliegen, auftretende Risserscheinungen
zu finden sind. Dies ist im Schliffbild der zur Härtelinie B gehörenden
Schweißnaht in Abbildung 24 zu erkennen.
Bei der hier gezeigten Schweißnaht können an beiden Nahtflanken Risse im Bereich der
Schmelzlinie identifiziert werden. Im Vergleich mit dem vor der Härteprüfung aufgenommenen
Schliffbild, ist zudem zu erkennen, dass der in dem linken Bild an der unteren Nahtflanke
verlaufende Riss zur Zeit der Erstellung des Schliffbildes noch nicht aufgetreten ist. Dies ist
eine bei der Wasserstoffversprödung zu beobachtende Eigenschaft. Aufgrund der Zeit, welche
für die Rekombination des diffusibelen Wasserstoffs benötigt wird, kann es hierbei Stunden
oder Tage bis zur Rissausbildung dauern. Ursächlich für diesen Riss können durch die
sich in der Nähe befindenden Härteeindrücke entstandene Spannungsfelder sein.

167 A Wurzel
190 A PG
160 A PB
Härte HV1
Härte HV1
Härte HV1
Untersuchungsergebnisse 41
Risse
Abbildung 24: Risse an Naht B vor (rechts) und nach (links) der Härteprüfung
Die Härtelinien einer Naht des mit 167 A in der Wurzel in Position PG geschweißten Doppel-T-Stoßes,
sowie der Härtelinien der beiden untersuchten Wasserstoffkehlnahtproben
sind in Abbildung 25 dargestellt.
500
375
250
125
0
500
375
250
125
0
500
375
250
125
0
Abbildung 25: Härteverläufe einer Naht der mit 167 A in der Wurzel geschweißten Doppel-T-Probe
und der Wasserstoffkehlnahtproben
Die mit 167 A in der Wurzellage geschweißte Naht der Doppel-T-Probe zeigt einen ähnlichen
Härteverlauf wie die Nähte der mit 160 A geschweißten Probe. Auch hier wird der kritische
Härtewert von 375 HV in der Wärmeeinflusszone überschritten. Die durchschnittliche Streckenenergie
der Schweißungen liegt, obwohl mit einem höheren Schweißstrom in der Wurzellage
gearbeitet wird, mit 2150 J/mm etwas unterhalb der mit 160 A geschweißten Nähte.
Dies resultiert aus der höheren Schweißgeschwindigkeit, mit welcher diese Nähte geschweißt
werden.

Untersuchungsergebnisse 42
Die Härteverläufe an den Wasserstoffkehlnahtproben zeigen ein etwas anderes Bild. Die
Härte im Schweißgut der mit 190 A in Position PG geschweißten Wasserstoffkehlnahtprobe
liegt mit ca. 250 HV0,5 etwas unterhalb der mit 160 A geschweißten Nähte. Dies kann zum
einen aus dem höheren Schweißstrom und der damit eingebrachten größeren Wärmemenge
liegen, zum anderen ist das pendelnd Schweißen der Decklage eine mögliche Ursache.
Auch sind die erreichten Härten im Bereich der Wärmeeinflusszone geringer als bei den
Nähten der Doppel-T-Proben. Hier liegen die Härtewerte nicht oberhalb der 375 HV. Die mittlere
Streckenenergie beträgt hier etwa 2000 J/mm. Durch die größere Schweißgeschwindigkeit,
welche vom Taucher benötigt wird um das Schmelzbad in fallender Schweißposition
stabil zu halten, liegt der Wärmeeintrag unterhalb des Wärmeeintrages bei 160 A. Zudem
wird durch das Pendeln der Decklage eine Elektrode weniger verschweißt und somit durch
die insgesamt reduziert Schweißzeit der Gesamtwärmeeintrag reduziert.
Der Härteverlauf der mit 160 A in Position PB geschweißten Wasserstoffkehlnahtprobe zeigt
ein ähnliches Verhalten. Auch hier liegen die erreichten Härten des Schweißgutes bei etwa
250 HV. Zudem wird auch bei dieser Probe der kritische Härtewert in der Wärmeeinflusszone
nicht erreicht. Die durchschnittlich eingebrachte Wärmemenge beträgt etwa 1750 J/mm.
Sie ist somit geringer als bei der mit 190 A geschweißten Probe. Diese Beobachtungen legen
die Vermutung nahe, dass die gependelte Decklage ursächlich für die geringeren Härtewerte
ist.
Das Ergebnis des Härtemappings bei der mit 160 A in Schweißposition PG geschweißten
Wasserstoffkehlnahtprobe ist in Abbildung 26 gezeigt.
Abbildung 26: Härtemapping der mit 160 A in Position PG geschweißten Wasserstoffkehlnahtprobe
Die Härte des Grundwerkstoffs liegt bei dem durchgeführten Härtemapping zwischen ungefähr
160 bis 180 HV0,5. Die einzelnen Schweißraupen und die Wärmeeinflusszone sind anhand
der Härtemessungen deutlich zu erkennen. Dass Härtemapping zeigt wie die Härtelinien
der zuvor betrachteten Proben eine gesteigerte Härte in der Wärmeeinflusszone entlang
der Schmelzlinie. Zudem ist auch eine gesteigerte Härte im Bereich der Wärmeeinflusszone

Maximale Zugkraft [N]
Untersuchungsergebnisse 43
der Decklage in der Wurzellage zu erkennen. Das Härtemapping weißt drei Messpunkte mit
einem Härtewert oberhalb von 375 HV auf. Diese liegen relativ weit auseinander und sind
jeweils von Messpunkten umgeben, welche mit etwa 300 HV eine wesentlich geringere Härte
aufweisen. Hierbei ist zu beachten, dass insgesamt nur 30 Messpunkte gesetzt und diese
mit ca. 0,25 mm in vertikaler und 0,5 mm in horizontaler Richtung einen im Vergleich zur
Messpunktgröße großen Abstand aufweisen. Auch hier weist das Schweißgut mit einer Härte
von etwa 250 HV0,5 einen geringeren Wert auf als das Schweißgut der untersuchten Doppel-T-Stöße.
Die Härte der Schweißgüter der hier untersuchten Wasserstoffkehlnahtproben
liegt somit in dem vom Schweißzusatzhersteller angegebenen Bereich der Härte des reinen
Schweißgutes.
Die Ergebnisse der durchgeführten Zugversuche sind in Abbildung 27 dargestellt. Hier ist die
durchschnittlich maximal ertragene Zugkraft der Verbindungen mit den aufgetretenen Standardabweichungen
für die untersuchten Parametersätze gezeigt.
160000
150000
140000
130000
120000
110000
100000
90000
80000
70000
Abbildung 27: Mittlere maximal ertragene Zugkräfte bei den Tauchschweißversuchen
Wie in der Abbildung zu erkennen ist, liegt die maximal ertragene Zugkraft der mit 160 A in
Position PG geschweißten Doppel-T-Proben bei ca. 110 kN, mit einer Standartabweichung
von ungefähr 20 kN. Die mit 167 A in der Wurzellage fallend geschweißten Doppel-T-Proben
ertragen zwar mit etwa 120 kN eine höhere Belastung, weisen jedoch mit ca. 30 kN eine
größere Standartabweichung auf. Die größten Abweichungen treten bei den mit 160 A in
Position PB geschweißten Doppel-T-Proben auf. Die ertragenen Höchstzugkräfte liegen hier
nur geringfügig unterhalb der fallend geschweißten Proben, die Standartabweichung ist mit
etwa 35 kN jedoch wesentlich größer.
Für die Doppel-Überlapp-Stöße zeigt sich im Allgemeinen eine höhere Festigkeit. Lediglich
die mit 167 A in der Wurzellage geschweißten Proben weisen eine geringere Maximalzugkraft
als die unter gleichen Bedingungen geschweißten Doppel-T-Stöße auf. Hier ist jedoch
die Streuung der Ergebnisse geringer. Die höchsten Zugkräfte werden von den in Position
PB geschweißten Doppel-Überlapp-Proben ertragen.

Wasserstoffgehalt [ml/100g]
Untersuchungsergebnisse 44
Die größere Festigkeit der Doppel-Überlapp-Proben kann an einer günstigeren Krafteinleitung
liegen. Bei den Doppel-T-Proben besteht eine größere Gefahr für eine unsymmetrische
Krafteinleitung infolge von Versatz, sowie Winkelversatz der Stege zueinander. Hierdurch
würde es zu einer ungünstigen Belastung der Schweißnähte kommen, welche zum frühzeitigen
Versagen der Proben führen kann. Die Streuung der ertragenen Höchstzugkräfte kann
ihren Ursprung in unterschiedlichen a-Maßen der Schweißnäht haben. Dies wird durch die
Berechnung der maximal ertragenen Spannungen im folgenden Arbeitspaket berücksichtigt.
Zu den ermittelten mechanisch-technologischen Eigenschaften gehören auch die Wasserstoffgehalte
der Schweißnähte. Diese sind für die Untersuchten Parametersätze für die Wasserstoffkehlnahtproben
und die Referenzproben mit Normgeometrie C in Abbildung 28 gezeigt.
Hierbei ist sowohl der diffusibele als auch der residual gebundene Wasserstoffgehalt
dargestellt.
90
Wasserstoffgehalt
80
70
60
50
40
30
20
160A PG 167A PG 160A PB 190A PG
Diffusibel Kehlnaht Diffusibel Referenz Residual Kehlnaht Residual Referenz
Abbildung 28: Ermittelte Wasserstoffgehalt bei den Tauchschweißversuchen
In der obigen Abbildung ist zu erkennen, dass die Wasserstoffgehalte der Referenzproben
und der Wasserstoffkehlnahtproben für die meisten Parametersätze gleich hoch sind. Ein
Unterschied besteht in Bezug auf den residual gebundenen Wasserstoff. Dieser liegt bei den
Wasserstoffkehlnahtproben in wesentlich größerer Konzentration vor als bei den Referenzproben.
Zugleich ist der diffusibel vorliegende Wasserstoffgehalt bei den meisten Parametersätzen
geringer. Eine mögliche Erklärung hierfür könnte die bei den Wasserstoffkehlnahtproben
geschweißte Decklage sein. Durch diese wird die darunterliegende Wurzellage Wärmebehandelt.
Hierdurch könnte bereits in der Wurzel diffusibel vorliegender Wasserstoff
durch die zusätzlich eingebrachte Energie in energetisch tiefere Lagen diffundieren. Zudem
könnte dies zur Effusion eines Teils des diffusibelen Wasserstoffs führen. Dieser Effekt könnte
auch die Unterschiede in den Wasserstoffgehalten der mit 190 A in Position PG geschweißten
Proben erklären. Da hier eine größere Wärmemenge eingebracht und aufgrund
des größeren Schweißstroms ein größerer Teil der Wurzellage nachgewärmt wird, könnte es
hierdurch zu einer wesentlich stärkeren Effusion des durch die Schweißung der ersten Lage
vorliegenden diffusibelen Wasserstoffs kommen. Die gemessenen Werte liegen in ähnlichen
Bereichen wie die Messungen von Klett et al. [6, 14].
Der Wasserstoffgehalt bei den mit 160 A in Position PB geschweißten Proben ist der höchste
der untersuchten Parametersätze. Dies kann zum einen aus der geänderten Schweißposition
resultieren, jedoch auch aufgrund der größeren Wassertiefe, bei welcher die Position geschweißt
wird, auftreten. Die Schweißposition PB wird aufgrund des Versuchsaufbaus in

Untersuchungsergebnisse 45
einer etwa 70 cm größeren Wassertiefe geschweißt. Hierdurch herrscht ein leicht höherer
Wasserdruck vor. Dieser erhöhte Wasserdruck kann zu einer stärkeren Diffusion des Wasserstoffs
in die Schmelze und somit zu größeren Wasserstoffgehalten führen.
4.6 AP6 Optimierung der Ergebnisse mit angepassten Parametern und Festlegung
von Sicherheitsbeiwerten
Eine Optimierung der Ergebnisse und Anpassung der Schweißparameter ist im Rahmen
dieses Projektes aus zeitlichen Gründen und aufgrund der Auslastung der damit einhergehenden
Unverfügbarkeit der Tauchschweißer und des Tauchschweißbecken nicht möglich.
Aus diesem Grund werden die Schweißparametersätze und die zu schweißenden Probengeometrien
zuvor mit den Tauchschweißern besprochen, um auf den Erfahrungen der
Schweißer basierende Anpassungen vorzunehmen. Eine Parameteranpassung, welche im
Rahmen des Projektes nicht vorgenommen werden kann, ist die Untersuchung spaltfreier
Proben, sowie die Untersuchung weiterer Elektrodentypen.
Auch die Festlegung von Sicherheitsbeiwerten wird in Absprache mit dem projektbegleitenden
Ausschuss nicht durchgeführt. Anstelle der Ermittlung der Sicherheitsbeiwerte wird eine
Betrachtung und Bewertung der im Eurocode 3 festgelegten Kennwerte für die konstruktive
Auslegung von Kehlnahtverbindungen durchgeführt. Hierzu werden die in der Norm DIN EN
1993-8 festgelegten Annahmen und Formeln zur Ermittlung der maximal zulässigen Spannung
und der von den untersuchten Proben maximal ertragenen Spannung genutzt [23]. Die
schematische Darstellung der wirkenden Spannungen, sowie die Formeln und Annahmen,
welche für die Berechnung genutzt werden, sind in Abbildung 29 dargestellt.
Annahmen und Formeln
= 1; = 1,25; = 500 MPa (Nautica20)
Abbildung 29: Berechnung der maximal zulässigen Spannung nach DIN EN 1993-1-8
Bei den zu untersuchenden Schweißnähten wird von einer gleichschenkeligen Kehlnaht
ausgegangen. Hierdurch ergeben sich für die Schub- und die Zugnormalspannungen jeweils
ein Winkel von 45°, wodurch diese betragsmäßig gleichgroß sind. Über den Satz des Pythagoras
ergibt sich somit die wirkende Zugspannung als √2 · σ. Die im Eurocode 3 festgelegten
Kennwerte für eine Kehlnaht an einem Grundwerkstoff mit einer Festigkeit von 430 MPa sind
der Korrelationsbeiwert β W = 1 und der Teilsicherheitsbeiwert γ M2 = 1,25. Die für die Berechnung
zugrundeliegende maximal zulässige Spannung ergibt sich aus der Festigkeit des niedriger
festen Schweißzusatzwerkstoffs Phoenix Nautica 20 mit einer vom Hersteller angegebenen
maximalen Festigkeit von 500 MPa [24]. Die maximal zulässige Zugspannung der

Maximale Zugspannung [MPa]
Untersuchungsergebnisse 46
Verbindung liegt somit bei σ z,zul = 282,84 MPa. Gerundet ergibt sich somit eine maximale
zulässige Zugspannung von 283 MPa. Zur Berechnung der bei Versagen der Proben auftretenden
Zugspannung werden die a-Maße der beiden Versagten Schweißnähte ermittelt. Auf
Basis, der in Abbildung 30 schematisch dargestellten vereinfachten wirksamen Schweißnahtfläche
und der maximal ertragenen Zugkraft werden unter Verwendung der in der Abbildung
angegebenen Formel die maximal ertragenen Zugspannungen der Proben bestimmt.
Annahmen und Formeln
a : = a + a
:
Abbildung 30: Berechnung der maximalen Zugspannung
Nach dem Versagen der Probe werden die beiden ursächlichen Schweißnähte ermittelt. Von
diesen werden anschließend in den Schliffbildern des Nahtanfangs und des Nahtendes die
a-Maße bestimmt und gemittelt. Die so bestimmten a-Maße werden für die 3 aus einer
Schweißung erhaltenen Zugproben als konstant angenommen. Die wirksame Schweißnahtfläche
wird als Summe der beiden a-Maße multipliziert mit der Probenbreite von 25 mm berechnet.
Die von der jeweiligen Probe ertragene maximale Zugkraft wird durch die so bestimmte
wirksame Nahtfläche dividiert und es werden entsprechend der Norm der Korrelationsbeiwert
und der Teilsicherheitsbeiwert verrechnet. Die durchschnittlichen maximal ertragenen
Zugspannungen der einzelnen Parametersätze sind in Abbildung 31 dargestellt.
500
450
400
350
300
250
200
Abbildung 31: Mittlere ertragene Zugspannung

Untersuchungsergebnisse 47
Die Betrachtung der Zugspannungen zeigt ein sehr ähnliches Bild zu den zuvor dargestellten
maximalen Zugkräften. Dies lässt darauf schließen, dass die Schweißnähte für die unterschiedlichen
Parametersätze eine vergleichbare wirksame Nahtanbindungsfläche aufweisen.
Der Unterschied zwischen den Festigkeiten der Doppel-T-Proben und der Doppel-Überlapp-Proben
ist bei der Betrachtung der Spannung deutlicher zu erkennen.
Die in der Grafik als gestrichelte Linie dargestellte maximal zulässige Spannung des
Schweißzusatzwerkstoffs, welche hier die von der Verbindung mindestens zu ertragene
Spannung darstellt, zeigt, dass die Durchschnittswerte aller Parametersätze darüber liegen.
Gleichwohl ist auch zu erkennen, dass bei der Betrachtung der Standardabweichung die mit
160 A in Position PG und mit 160 A in Position PB geschweißten Doppel-T-Stöße Proben
beinhalten, welche die ermittelte Mindestzugfestigkeit der Verbindung nicht erreichen.
Für die Doppel-Überlapp-Stöße zeigt sich, dass hier alle geprüften Verbindungen die Mindestzugfestigkeit
von 283 MPa überschreiten. Zudem ist ersichtlich, dass auch unter Berücksichtigung
der Standardabweichung die Festigkeit der Doppel-Überlapp-Proben oberhalb der
durchschnittlichen Festigkeit der Doppel-T-Proben liegt.
Die ermittelten maximalen Zugspannungen der Verbindungen legen nahe, dass eine Anpassung
des Teilsicherheitsbeiwertes bei den Doppel-T-Stößen sinnvoll wäre. Insbesondere
unter der Betrachtung der während der Schweißungen vorherrschenden Umgebungsbedingungen.
Die hier geprüften Verbindungen wurden unter nahezu idealen Bedingungen in vergleichsweise
sauberem Wasser und in von dem Taucher wählbarer Position geschweißt. Es
ist zu erwarten, dass bei Schweißungen dieser Verbindungen unter größeren Widrigkeiten,
wie schlechterer Sicht und ungünstigere Positionierung des Tauchers, die Nahtqualität und
somit die Festigkeit der Verbindung abnehmen würde. Da hier jedoch nur eine geringe Anzahl
an Proben geprüft wurde, besitzen die Ergebnisse nur eine geringe statistische Signifikanz.
4.7 AP7 Konstruktion und Planung eines Induktors zur Wärmebehandlung
Da in einem Vorgängerprojekt bereits die induktive Wärmenachbehandlung an Auftragsschweißungen
zur Reduzierung des Wasserstoffgehaltes und der Härte der Wärmeeinflusszone
untersucht worden ist, liegt vor diesem Projekt bereits ein Induktor vor. Dieser Induktor
ist in Abbildung 32 gezeigt.
Abbildung 32: Induktor aus dem Vorgängerprojekt

Untersuchungsergebnisse 48
Der Induktor, welcher im Rahmen des Vorgängerprojektes von dem Unternehmen EFD-
Induction GmbH konstruiert und gefertigt wurde, ist für die Wärmenachbehandlung ebener
Schweißnähte wie Auftragsschweißungen und Stumpfstöße konzipiert worden. Der Induktor
ist mit vier Schrauben versehen, über welche sich der Abstand zu der darunterliegenden
Naht einstellen lässt. Er ist so ausgelegt, dass mit ihm die untersuchten Schweißnähte über
ihre gesamte Länge wärmenachbehandelt werden konnten, ohne den Induktor zu bewegen.
Für die im Rahmen dieses Projektes zu untersuchenden Kehlnahtschweißungen ist er aufgrund
der geometrischen Beschränkungen nicht geeignet.
Aus diesem Grund ist für die Kehlnahtgeometrie ein angepasster Induktor zu konstruieren
und zu fertigen. Auch im Rahmen dieses Projektes wurde die Konstruktion und die Fertigung
des Induktors von der Firma EFD-Induction GmbH übernommen. Hierbei wird der bereits
vorliegende Induktor des Unternehmens als Vorlage genutzt und eine Anpassung des Induktor
Aufbaus an die Kehlnahtform vorgenommen. Auch hier wird die Schweißnaht über die
gesamte Nahtlänge ohne Bewegung des Induktors nachgewärmt. Die Konstruktionszeichnung
des angepassten Induktors ist in Abbildung 33 zu sehen.
150 mm
Abbildung 33: Konstruktionszeichnung des angepassten Induktors [25]
Der angepasste Induktor ist hier schematisch in einer Kehle dargestellt. Die Einstellung des
Abstandes zur Kehle erfolgt ähnlich dem Induktor für ebene Schweißnähte über Schrauben.
Der Konzentrator des Induktors ist auf die vorgesehene Schweißnahtlänge von 150 mm angepasst
und erfasst diese komplett. Die Kupferleitungen des Induktors sind wassergekühlt
und durch eine Epoxidharzschicht elektrisch voneinander getrennt. Auch die Schrauben zur
Einstellung des Abstandes sind in einem Epoxidharzbauteil eingebracht und mit einer Kunststoffspitze
versehen, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
4.8 AP8 Modifikation der Versuchsanlage, Probenvorbereitung, Induktorbau
Für die Laborversuche wurde das links in Abbildung 10 dargestellte Wasserbecken verwendet.
Dieses wurde im Vorgängerprojekt konstruiert und gebaut. Die Schweißungen erfolgen
mit Hilfe einer Brennerhalterung, welche schwerkraftgetrieben an einer vertikalen Gleitschiene
abgleitet. Über den Elektrodenanstellwinkel und das Abbrennen der Elektrode wird somit
eine Bewegung des Prozessbereiches erzeugt. Für die Schweißung der Kehlnahtproben in
er Schweißposition PA wird eine Modifikation des Aufbaus vom Vorgängerprojekt vorgenommen.
Entsprechend Abbildung 34 besteht die angepasste Probenhalterung aus zwei
Aluminiumblöcken welche im 90° Winkel mit einem Abstand zueinander angeordnet sind.

Untersuchungsergebnisse 49
Der Aufbau ist so angeordnet, dass die Elektrodenspitze mittig in der Kehle einer eingelegten
Probe liegt. Zur Fixierung und besseren Kontaktierung wird die Probe mit einer Schraubzwinge
an einer Seite mit einem der Aluminiumblöcke verbunden.
Abbildung 34: Aufbau der Werkstückhalterung links mit einer Auftragsschweißung und rechts
schematisch mit einem T-Stoß
Für die Schweißung der Überlapp-Proben wird einer der beiden Aluminiumblöcke entfernt.
Der Überlappstoß wird für die Schweißung mit Hilfe einer Schraubzwinge so an dem verbleibendem
Aluminiumblock befestigt, dass auch hier die Elektrode mittig in der Kehle liegt. Die
Wasserstoffkehlnahtproben werden in einem Aluminiumwinkel welcher in die Probenhalterung
für die T-Stöße gelegt wird mit Hilfe eines Kniehebels fixiert und anschließend verschweißt.
Die Positionierung der Elektrode erfolgt durch leichte Winkeländerungen.
Die Ausarbeitung des Probenmaterials erfolgt wie bei den Tauchschweißversuchen mit Hilfe
einer mechanisierten Brennschneidanlage. Das Heraustrennen von Probenmaterial für die
Wasserstoffproben ist links in Abbildung 35 zu erkennen. Auch bei den Laborversuchen werden
die T- und Überlappstöße mit einem MSG-Prozess geheftet. Die Wasserstoffproben
werden ebenfalls ohne Verwendung eines Schweißzusatzes mit einem WIG-Prozess geheftet.
Nach dem Heften und Wiegen werden die Wasserstoffkehlnaht- und die Referenzproben
in einem Ofen bei ca. 650 °C für 1,5 Stunden geglüht. Hierdurch soll der bereits in dem
Werkstoff vorliegende Wasserstoff Ausdiffundieren, um eine Verfälschung der Messungen zu
vermeiden. Dies ist in Abbildung 35 rechts dargestellt.
Abbildung 35: Brennschnitt von Probenmaterial links und Wasserstoffarmglühen der Wasserstoffproben
rechts

Untersuchungsergebnisse 50
Auch bei den Laborschweißungen wird die Brennschnittkante als Nahtvorbereitung belassen
und ausschließlich durch Schleifen die Zunderschicht und die Walzhaut beseitigt. Zur Messung
der Temperaturen werden in einigen Proben definiert Löcher gebohrt, in welche Mantelthermoelemente
eingesetzt werden. Bei einer T-Probe wird nach dem Schweißen einer
Seite ein Mantelthermoelement durch eine Bohrung ca. 2 mm oberhalb der Bauteiloberfläche
in die Schweißnaht und ein weiteres bündig mit der Blechoberfläche eingesetzt. Die Mantelthermoelemente
werden vor dem Einstecken in die Bohrungen mit Wärmeleitpaste versehen,
um ein hineinfließen von Wasser in den Bereich zwischen dem Element und der Bohrung
zu vermeiden. Zudem wird bei ausgewählten Wasserstoffkehlnahtproben ein Thermoelement
im zu vermutenden Bereich der Schmelzlinie mit einem Widerstandsschweißverfahren
aufgeschweißt.
Der Aufbau für die induktive Wärmenachbehandlung ist in Abbildung 36 gezeigt. Zur Positionierung
des Induktors wird eine an vier Gleitschienen geführte Konstruktion aus Aluminiumprofilen
genutzt. Die Positionierung erfolgt über eine Spindel mit Hilfe einer Handkurbel. Die
Wärmenachbehandlung der Proben wird in einer wassergefüllten Kiste durchgeführt. Dies
dient einer Separierung des Beckens für die Schweißversuche und der Wärmenachbehandlung.
Hierdurch soll eine Beschädigung des Beckens durch die Induktion, sowie ein möglicher
Kontakt des Induktors zu metallischen Teilen des Beckens und somit elektrische Gefährdung
vermieden werden.
Handkurbel
+ Spindel
Induktionsgenerator
Induktor
Wasserbehälter
Abbildung 36: Aufbau für die Induktive Wärmenachbehandlung

Untersuchungsergebnisse 51
4.9 AP9 Induktor Erprobung und Parameteranpassung
Die Induktor Erprobung erfolgt an einem geschweißten T-Stoß welcher mit Mantelthermoelementen
versehen ist. Die Temperaturaufzeichnung erfolgt über einen Yokogawa DL708
Messdatenrekorder. Erste Untersuchungen mit dem Induktor aus dem Vorgängerprojekt und
dem an die Kehlnahtform angepassten Induktor zeigen, dass der ältere Induktor bei gleicher
Ausgangsleistung am Induktionsgenerator höhere Temperaturen im Bauteil erzeugt. Des
Weiteren reicht die von dem genutzten Induktionsgenerator maximal zur Verfügung gestellte
Leistung von ca. 41 kW grade so für eine Erwärmung der Schweißnaht oberhalb der A C3-
Temperatur. Die gemessene Temperatur in der Schweißnaht 2 mm oberhalb der Blechoberfläche
liegt bei keiner Messung oberhalb von 1000 °C. Eine schematische Darstellung der
Positionierung der beiden Mantelthermoelemente ist links in Abbildung 37 gezeigt. Rechts in
der Abbildung ist zudem je eine Temperaturmessung für die Nachwärmung bis zur A C1- und
bis oberhalb der A C3-Temperatur dargestellt. Für die Wärmenachbehandlung bis oberhalb
der A C3-Temperatur wird die Probe mit einer Ausgangsleistung am Induktionsgenerator von
100 %, 41 kW, erwärmt. Für die Wärmenachbehandlung bis zur A C1-Temperatur wird am
Induktionsgenerator eine Ausgangsleistung von 80 %, 32 kW, eingestellt. Bei beiden Nachwärmprogrammen
wird nach der Erwärmung mit der jeweiligen Ausgangsleistung diese zur
langsamen Abkühlung der Probe linear auf 70 %, 28 kW, reduziert.
+ 2 mm
Schweißnaht
Mantelthermoelemente
Abbildung 37: Schematische Darstellung der Thermoelementpositionierung links und exemplarische
Temperaturmessung während der Wärmenachbehandlung rechts
Wie in der obigen Temperaturmessung zu erkennen, wird bei der Wärmenachbehandlung
bis oberhalb der A C3-Temperatur in der Schweißnaht eine Temperatur von ca. 900 °C erreicht.
Im Bereich der Blechoberfläche wird nur noch eine Temperatur von unter 600 °C.
Somit unterschreitet die Temperatur in diesem Bereich die A C1-Temperatur von 712 °C. Für
die Temperaturmessung der bis zur A C1-Temperatur nachgewärmten Probe zeigt sich, dass
mit etwa 650 °C eine Temperatur knapp Unterhalb der 712 °C erzielt wird. Durch die Reduzierung
der Leistung auf 28 kW wird die Temperatur verlangsamt bis auf etwa 500 °C herabgesenkt.

Untersuchungsergebnisse 52
Bei beiden Nachwärmprogrammen ist eine Abnahme der erreichten Temperatur von ca.
250 °C bis 300 °C über den 2 mm Messabstand der beiden Thermoelemente zu erkennen.
Dies zeigt, dass auch bei der induktiven Nachwärmung ein starker Temperaturgradient vorliegt.
Wie in Abbildung 38 dargestellt, tritt nicht nur ein großer Temperaturgradient in das
Material, sondern auch entlang der Schweißnaht auf.
Abbildung 38: Ungleichmäßige Erwärmung der Schweißnaht
Während der induktiven Wärmenachbehandlung kommt es zu einer ungleichmäßigen Erwärmung
der Schweißnaht, wobei eine Temperaturabnahme hin zu den Schweißnahtenden
auftritt. Eine weitere Beobachtung im Zuge der Induktor Erprobung ist, dass die Temperatur,
welche im Bauteil erreicht wird, stark von dem Abstand des Induktors zur Schweißnaht abhängt
und sich dieser aufgrund von Nahtüberhöhungen und anderen geometrischen Unregelmäßigkeiten
nicht reproduzierbar einstellen lässt.
Wie die in Abbildung 37 dargestellten Messungen zeigen, führen die eingestellten Ausgangsleistungen
am Induktionsgenerator an der Messstelle 2 mm oberhalb der Blechoberfläche
innerhalb der Schweißnaht zu den gewünschten Temperaturbereichen. Daher wird im Rahmen
der Induktor Erprobung hauptsächlich der zeitliche Verlauf der Wärmenachbehandlung
variiert, um eine möglich homogene Erwärmung und eine gezielte Abkühlung zu erzielen.
Die festgelegten Parameter für die Wärmenachbehandlungen sind in Abbildung 39 dargestellt.

Untersuchungsergebnisse 53
Abbildung 39: Leistungsverläufe bei der Wärmenachbehandlung
4.10 AP10 Induktive Wärmenachbehandlung von nass unterwassergeschweißten
Kehlnähten in Laboranlage
Die Schweißungen für die Laborversuche zur Untersuchung der Induktiven Wärmenachbehandlung
werden mit Hilfe einer schwerkraftgetriebenen mechanisierten Abschweißvorrichtung
durchgeführt. Hierbei wird die Schweißgeschwindigkeit durch das Abschmelzen der
Elektrode in Abhängigkeit des Elektrodenanstellwinkels erzeugt. Da die Elektrode im Kontakt
mit dem Grundwerkstoff, bzw. der zuvor geschweißten Lage ist und im Rahmen des Abbrennens
über diese Abgleitet, führen geometrische Unregelmäßigkeiten zu inhomogenen
Schweißgeschwindigkeiten und somit einer schlechten Nahtqualität. Insbesondere das
Schweißen auf vorhandene Schweißlagen führt hierbei zu sehr schlechten Nahtqualitäten.
Eine exemplarische mehrlagig geschweißte Naht ist in Abbildung 40 zu sehen.
Abbildung 40: Exemplarische mit der Schwerkraftschweißvorrichtung hergestellte Mehrlagennaht
Ein weiteres regelmäßig aufkommendes Phänomen ist ein Erlöschen des Lichtbogens während
des Schweißens. Aufgrund einer leichten Durchbiegung der Elektrode infolge des Gewichts
des Aufbaus, führt dies zu einer Verschiebung der Schweißstelle bei Neuzündung des
Lichtbogens. Dies beding zusätzliche geometrische Fehlstellen, welche das Schweißen
nachfolgender Schweißlagen zusätzlich erschweren und die Nahtqualität senken. Aus diesen
Gründen sind die hier hergestellten Schweißnähte nicht als repräsentativ und qualitativ nicht
mit den von Tauchschweißern hergestellten Unterwasserschweißungen vergleichbar. Dennoch
eignen sich diese Nähte zur Untersuchung und Bewertung der induktiven Wärmenachbehandlung
von nass unterwassergeschweißten Kehlnähten.
Insbesondere bei den Schweißungen mit HV- und K-Nahtvorbereitung führte die schlechte
Zugänglichkeit zur Schweißstelle im Zusammenhand mit der ohnehin geringen Nahtqualität
und den auftretenden Schwierigkeiten beim Schweißen zur Ausbildung unbrauchbarer
Schweißnähte. Eine dieser Nähte ist exemplarisch in Abbildung 41 gezeigt.

Untersuchungsergebnisse 54
Abbildung 41: Schlechte Anbindung bei einer HV-Naht
Aufgrund dieses Nahtbildes werden die Proben mit einer HV- und einer K-Nahtvorbereitung
aus der Versuchsauswertung genommen und nicht weiter betrachtet.
Im Zuge der Schweißung der Wasserstoffkehlnahtproben wird bei ausgewählten Proben in
das Auslaufstück knapp unterhalb der Blechoberfläche mittig der Probe eine Bohrung eingefügt.
Diese wird mit einem Mantelthermoelement versehen und dient der Messung der Temperaturen
beim Schweißen. Diese Messungen werden zur Abschätzung der vorherrschenden
t 8/5-Zeiten genutzt. Eine exemplarische Probe mit einem Thermoelement ist links unten
in Abbildung 42 gezeigt. Oberhalb dieser ist eine schematische Darstellung der Messstelle
gezeigt. Auf der rechten Seite der Abbildung ist der Temperaturverlauf von drei aufeinanderfolgend
mit einer Stromstärke von 190 A geschweißten Nähten zu erkennen.
Die Wasserstoffkehlnahtproben der Laborschweißversuche werden mit einer Strichraupe als
Wurzel und zwei weiteren Strichraupen als Decklage geschweißt. Die Schweißung besteht
somit anders als bei den Tauchschweißversuchen aus drei Raupen. Die T-Stöße und Überlappproben
werden im Rahmen der Laborschweißungen mit drei Lagen geschweißt, einer
Wurzellage bestehend aus einer Strichraupe, einer Zwischenlage aus zwei Strichraupen und
einer Decklage aus drei Strichraupen.
Thermoelement
Auslaufstück
Wasserstoffkehlnahtprobe
0 50 100 150 200 250 300
Abbildung 42: Temperaturmessung bei einer Schweißung mit 190 A

Untersuchungsergebnisse 55
Aufgrund der unterschiedlichen Abstände der Schweißnähte zur Messstelle, werden an dieser
unterschiedliche Maximaltemperaturen erreicht. Auch hier zeigt sich, dass die erreichten
Maximaltemperaturen auch bei wenigen Millimetern Abstandsdifferenz stark variieren. Somit
ist nur im unmittelbaren Umfeld einer Schweißnaht ein Nachwärmeffekt zu erwarten. Des
Weiteren zeigt die Messung, dass die erreichten t 8/5-Zeiten nur im Bereich einiger Sekunden
liegen. Die im Rahmen der Messungen bestimmten t 8/5-Zeiten liegen bei ungefähr 2 Sekunden.
Nach dem Schweißen werden die Proben gereinigt und direkt im Anschluss mit dem Induktor
Wärmenachbehandelt. Vor der Wärmenachbehandlung wird eine Blindprobe im Wasser erwärmt.
Hierdurch soll das Wasser auf Temperatur gebracht werden, um so annähernd gleiche
Bedingungen für die nacheinander durchgeführten Wärmenachbehandlungen zu erhalten,
da andernfalls die Wassertemperatur für die erste nachgewärmte Probe eine andere
wäre, bzw. nach jeder Probe das Wasser gewechselt werden müsste. Die Abschätzung der
erreichten Temperaturen bei der Wärmenachbehandlung erfolgt über die sich einstellende
Glühfarbe der Schweißnaht. Dies ist exemplarisch für eine bis zur A C1-Temperatur und eine
bis oberhalb der A C3-Temperatur nachgewärmte Probe in Abbildung 43 gezeigt.
A C1
A C3
Abbildung 43: Glühfarbe bei der induktiven Wärmenachbehandlung
Wegen der schlechten Nahtqualität und insbesondere aufgrund von Nahtanhäufungen und
Unebenheiten ist eine reproduzierbare Temperatureinstellung während der Wärmenachbehandlung
schwierig. Für die Einstellung der Höhe wird der Induktor mit Hilfe der Spindel in
Kontakt mit der Schweißnaht gebracht. Anschließend wird der Induktor wieder ein Umdrehung
nach oben gefahren. Hierdurch beträgt der Abstand zwischen dem Induktor und der
höchsten Stelle der Schweißnaht etwa 4 mm. Größere Nahtüberhöhungen führen somit zu
einem vergrößerten Abstand, wodurch die vom Induktor eingekoppelte Leistung wesentlich
reduziert wird. Hierdurch kann nicht gewährleistet werden, dass die Schweißnähte reproduzierbar
nachgewärmt werden und, die geforderten Temperaturbereiche für jede Wär-

Untersuchungsergebnisse 56
menachbehandlung erreicht werden. Aufgrund der Kehlnahtform kann es zudem dazu kommen,
dass der Grundwerkstoff neben der Schweißnaht mit geringem Abstand zu Induktor
ebenfalls erwärmt wird und hierdurch ungewollt eine weitere Wärmeeinflusszone entsteht.
4.11 AP11 Gefügeuntersuchung, Härtemessungen, Wasserstoffmessung
Auch im Rahmen der Laborversuche werden Schliffbilder der Nahtanfangs- und Endstücke
erstellt. Dies dient hierbei unter anderem der Betrachtung und Bewertung der durch die
Wärmenachbehandlung auftretenden Gefügeveränderungen. Dies ist in Abbildung 44 gezeigt.
Hier ist jeweils eine Schweißnaht der mit 160 A geschweißten Überlappstöße mit und
ohne Wärmenachbehandlung im Makroschliff dargestellt.
160 A 160 A, A C1 160 A, A C3
Abbildung 44: Schliffbilder je einer Schweißnaht einer mit 160 A geschweißten Überlappprobe
mit und ohne Wärmenachbehandlung
In der Abbildung ist des zuvor beschriebene Phänomen Gefügeumwandlung des zuvor unveränderten
Grundwerkstoffs neben der Wärmeeinflusszone zu erkennen. Diese ist bei der
bis oberhalb der A C3-Temperatur nachgewärmten Probe stärker ausgeprägt. Hierbei handelt
es sich um einen ungewollten Nebeneffekt der Wärmenachbehandlung, welcher negative
Auswirkungen auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißnaht haben
kann. Hierdurch könnte es in den betroffenen Bereichen infolge der Wärmebehandlung neuer
Wasserstoff eindiffundieren und bei ungünstiger Temperaturführung zu Wasserstoffversprödung
und Rissbildung kommen. Ein weiterer Effekt, welcher bei einer ungünstigen Temperaturführung
in diesen Bereichen auftreten könnte, wäre die Entstehung einer weiteren
Grobkornzone, wodurch es ebenfalls zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften
kommen würde.
Der Effekt der Wärmenachbehandlung auf das Schweißgut und die Wärmeeinflusszone sind
in Abbildung 45 zu erkennen. Hier sind die Makro- und Mikroschliffe der mit 160 A geschweißten
Wasserstoffkehlnahtproben mit und ohne Wärmenachbehandlung dargestellt.

Untersuchungsergebnisse 57
160 A 160 A, A C1 160 A, A C3
Abbildung 45: Makro- und Mikroschliffe der mit 160 A geschweißten Wasserstoffkehlnahtproben
mit und ohne Wärmenachbehandlung
Bei den nicht nachgewärmten Proben können im Bereich des Übergangs zur Wärmeeinflusszone
Mikrorisse erkannt werden. Bei der bis zur A C1-Temperatur nachgewärmten Probe
sind größere Risserscheinungen in diesem Bereich zu erkennen. Des Weiteren lassen sich
hier auch mehr Risse finden. Im Makroschliff ist insbesondere in oberen rechten Bereich der
Schweißnaht eine leichte Gefügeveränderung zu erkennen. Dies lässt darauf schließen,
dass an dieser Stelle der gewollte Temperaturbereich überschritten wird. Da keine weiteren
Gefügeveränderungen unterhalb dieses Bereiches zu erkennen sind, lassen die in den Temperaturmessungen
beobachteten Temperaturgradienten vermuten, dass der Bereich der
Wärmeeinflusszone dieser Probe nahezu keine Wärmenachbehandlung erfahren hat. Somit
wird hier auch keine Reduktion der Rissanfälligkeit erzielt.
Bei der bis oberhalb der A C3-Temperatur nachgewärmten Probe lassen sich im Mikroschliff
nahezu keine Risse erkennen. Des Weiteren zeichnet sich im Makroschliff ein homogenes
Gefüge innerhalb des Schweißgutes ab. Hierbei ist ein Übergang zur WEZ zu erkennen. Die
Wärmeeinflusszone selbst ist nahezu nicht mehr erkennbar und es stellt sich eine Gefügestruktur
ähnlich der Struktur des thermisch unbelasteten Grundwerkstoffs ein. Dies kann
aus unterschiedlichen erreichten Temperaturen im Schweißgut und in der Wärmeeinflusszone
resultieren, da die unterschiedlichen Gefüge andere Wärmeleitfähigkeiten und induktive
Eigenschaften aufweisen. Die Ergebnisse der induktiven Wärmenachbehandlung zeigen
eine Verringerung der Rissanfälligkeit bei erhöhter Induktorleistung. Die Untersuchungen
bestätigen somit die Beobachtungen von Zhang et al. [17].
Die an den Wasserstoffkehlnahtproben durchgeführten Härtemessungen zeigen ebenfalls
einen Einfluss der Wärmenachbehandlung. Die Härtelinien der mit 160 A geschweißten
Wasserstoffkehlnahtproben sind in Abbildung 46 gezeigt.

Untersuchungsergebnisse 58
160 A
Härte HV1
500
375
250
125
0
160 A, A C1
Härte HV1
500
375
250
125
0
160 A, A C3
Härte HV1
500
375
250
125
0
Abbildung 46: Härtelinien der mit 160 A geschweißten Wasserstoffkehlnahtproben mit und
ohne Wärmenachbehandlung
Die Härtelinie an der nicht nachgewärmten Probe zeigt mit ca. 150 HV1 eine etwas geringere
Härte im Grundwerkstoff als bei den Tauchschweißversuchen. Jedoch werden auch hier im
Bereich der Wärmeeinflusszone erhöhte Härtewerte erreicht, welche nahe dem Kritischen
Wert von 375 HV liegen. Die Härte des Schweißgutes liegt ähnlich wie bei den Tauchschweißversuchen
bei ungefähr 250 HV.
Bei der bis zur A C1-Temperatur nachgewärmten Probe sind keine Härtespitzen festzustellen.
Die Härte in der Wärmeeinflusszone liegt auf einem Ähnlichen Niveau wie die Härte des
Schweißgutes. Dies könnte aus einem Spannungsarmglüheffekt infolge der induktiven Wärmenachbehandlung
resultieren. Auch hier ist die Grundwerkstoffhärte geringer als bei den
Proben der Tauchschweißversuche.
Eine Betrachtung der Härtelinie der oberhalb der A C3-Temperatur wärmenachbehandelten
Probe zeigt eine homogene Härteverteilung über die gesamte Probe. Hierbei liegt die Härte
sowohl im Grundwerkstoff als auch in der Wärmeeinflusszone und im Schweißgut zwischen
etwa 200 HV1 und 250 HV1. Die erhöhte Härte im Grundwerkstoff kann hierbei aus einem
auftretenden Abschrecken und einer damit einhergehenden Aufhärtung des WEZ nahen Bereiches
infolge des Erwärmens kommen.
Die induktive Wärmenachbehandlung hat neben der Härte auch auf den gemessenen Wasserstoffgehalt
einen wesentlichen Einfluss. Dies lässt sich an den in Abbildung 47 dargestellten
Ergebnissen der Wasserstoffmessung erkennen.

Untersuchungsergebnisse 59
Abbildung 47: Einfluss der Wärmenachbehandlung auf den Wasserstoffgehalt in der Schweißnaht
Hier sind die residualen und diffusibelen Wasserstoffgehalte für die mit einem Schweißstrom
von 160 A und 190 A geschweißten Proben in Abhängigkeit der Wärmenachbehandlung
gezeigt. Wie auch im Vorgängerprojekt beobachtet wurde, sinkt bei einer Wärmenachbehandlung
bis zur A C1-Temperatur der Gesamtwasserstoffgehalt, wobei der Anteil an residual
gebundenem Wasserstoff zunimmt. Dies kann sowohl für die mit 160 A geschweißte als
auch für die mit 190 A geschweißte Probe festgestellt werden. Auch eine Wärmenachbehandlung
oberhalb der A C3-Temperatur führt zu einer Reduzierung des Wasserstoffgehaltes.
Hierbei ist jedoch keine nennenswerte Verlagerung des diffusibelen zum residualen Wasserstoffgehalt
zu erkennen. Dieses Verhalten bei der Wärmenachbehandlung bis zur
A C1-Temperatur kann daher resultieren, dass durch die eingebrachte Energie ein Teil des
diffusibel vorliegenden Wasserstoffs in Wasserstofffallen gefangen wird, die eingebrachte
Energie jedoch nicht ausreicht ihn aus diesen wieder zu lösen. Infolge des größeren Energieeintrages
bei der Wärmenachbehandlung oberhalb der A C3-Temperatur wird dem Wasserstoff
ausreichend Energie für das Freisetzen aus der Wasserstofffalle zur Verfügung gestellt.
Die Messungen zeigen zudem, dass bei einem Schweißstrom von 190 A der Wasserstoffgehalt
etwas geringer ist. Wie in dem Vorgängerprojekt gezeigt wurde, kann dies aus dem
größeren erzielten Einbrand resultieren. Die Beobachtungen von Brätz et al., dass die induktive
Wärmenachbehandlung zu einer Reduzierung des Wasserstoffgehaltes führen werden
durch diese Ergebnisse bestätigt.
4.12 AP12 Auswertung der Laborversuche
Auch im Rahmen der Laborversuche werden Zugprüfungen durchgeführt, um die mechanischen
Eigenschaften der Verbindungen zu ermitteln. Für die Laborversuche werden Proben
mit unterschiedlichen Schweißströmen geschweißt. Diese reichen hierbei über den gesamten
für die verwendete Elektrode angegebenen Bereich von 150 A bis 200 A und wird sukzessiv
um 10 A erhöht. Die gemittelten ertragenen Höchstzugkräfte der Schweißungen über
den Schweißstrom sind in Abbildung 48 gezeigt.

Untersuchungsergebnisse 60
Abbildung 48: Durchschnittliche Höchstzugkraft über die Schweißstromstärke
Wie in der Abbildung zu erkennen ist, nimmt die ertragene Höchstzugkraft mit steigender
Schweißstromstäke ab. Hierbei scheinen sich zwischen 150 A und 160 A, sowie zwischen
180 A und 200 A Plateaus gleich Zugfestigkeit einzustellen, wobei die Festigkeit der Verbindung
zwischen 160 A und 180 A annähernd linear abzunehmen scheint. Die Schliffbilder
zeigen, dass die mit größeren Strömen geschweißten Proben einen steileren Nahtübergangswinkel
aufweisen. Die geringere Festigkeit könnte somit aus einer gesteigerten Kerbwirkung
infolge des steileren Nahtübergangs sein. Infolge der größeren Schweißströme
kommt es zudem zu einer Steigerung der Abschmelzleistung, wodurch sich bei der schwerkraftgetriebenen
Schweißvorrichtung die Schweißgeschwindigkeit erhöht. Sowohl die verringerte
Festigkeit als auch der steilere Nahtübergangswinkel könnten hiermit im Zusammenhang
stehen. Da für die bei unterschiedlichen Stromstärken geschweißten Proben keine
Schliffbilder erstellt werden, kann keine Spannung ermittelt werden, wodurch Unterschiede
im Einbrand unberücksichtigt bleiben.
Zur Betrachtung des Einflusses der induktiven Wärmenachbehandlung auf die Zugfestigkeit
werden auch hier Zugproben geprüft. Nach der Zugprüfung werden analog zu den Tauchschweißversuchen
die wirksamen Nahtflächen ermittelt und mit diesen die maximalen Zugspannungen
ermittelt. Die gemittelten maximalen Zugspannungen sind in Abbildung 49 dargestellt.

Untersuchungsergebnisse 61
Abbildung 49: Gemittelte maximale Zugspannung in Abhängigkeit der Wärmenachbehandlung
Die in Abbildung 49 gezeigten Ergebnisse legen nahe, dass sich mit Hilfe der induktiven
Wärmenachbehandlung die Zugfestigkeiten der Verbindungen steigern lassen. Insbesondere
bei den Festigkeiten der dargestellten T-Stöße ist eine große Streuung zu erkennen. Diese
resultiert wahrscheinlich aus einer bei einigen dieser Proben zu beobachtenden gleichschenkligen
Nahtgeometrie. Die geringe Nahtanbindung infolgedessen an einer Flanke kann
ursächlich für frühzeitiges Versagen sein.
Insbesondere für die Überlappstöße zeigt sich eine Verbesserung der Festigkeit infolge der
induktiven Wärmenachbehandlung. Hierbei zeigt sich insbesondere bei der Wärmenachbehandlung
bis zur A C1-Temperatur eine Steigerung der Festigkeit. Bei den oberhalb der
A C3-Temperatur nachgewärmten Proben ist diese weniger stark ausgeprägt. Dies könnte aus
einer Beeinflussung des Grundwerkstoffs und der Entstehung einer neuen Wärmeeinflusszone
infolge der Nachwärmung resultieren.
Für die mit 160 A geschweißte T-Probe ohne Wärmenachbehandlung und die mit 190 A geschweißte
bis oberhalb der A C3-Temperatur nachgewärmte Überlappprobe ist keine Standardabweichung
angegeben, da hier jeweils nur eine Probe geprüft werden konnte.
Eine Zusammenfassung der Einflüsse der induktiven Wärmenachbehandlung auf die
Schweißverbindung ist in Tabelle 4 gezeigt. Hierbei wird der Einfluss auf das Auftreten von
Rissen, das sich einstellende Gefüge, die Härte, die Zugfestigkeit und den Wasserstoffgehalt
für die untersuchten Wärmenachbehandlungstemperaturen im Vergleich zur nicht nachgewärmten
Schweißung dargestellt.
Tabelle 4: Einflüsse der induktiven Wärmenachbehandlung auf die Verbindung
Ohne Wärmenachbehandlung
Wärmenachbehandlung
bis zur
A C1-Tempertaur
Wärmenachbehandlung
oberhalb der
A C3-Tempertaur
Risse Risse in der WEZ Risse in der WEZ Keine Risse
Gefüge
Unverändert
Angelassenes Gefüge
Rekristallisiertes Gefüge

Untersuchungsergebnisse 62
Härte
Härtepeaks in der
WEZ
Reduziert, höhere
Härte im SG und in
der WEZ als im GW
Reduziert, annähernd
gleiche Härte
in SG, WEZ und GW
Zugfestigkeit Gering Hoch Mittel
Gesamtwasserstoffgehalt
Diffusibeler Wasserstoffgehalt
Hoch Mittel Gering
Hoch Gering Gering
Residualer
Wasserstoffgehalt
Gering Hoch Gering
GW: Grundwerkstoff; SG: Schweißgut; WEZ: Wärmeeinflusszone
Die Zusammenfassung der Einflüsse zeigt, dass sich mit Hilfe der induktiven Wärmenachbehandlung
eine wesentliche Verbesserung der mechanisch-technologischen Eigenschaften
einstellen lässt. Insbesondere durch eine Wärmenachbehandlung oberhalb der
A C3-Temperatur lassen sich die Härte reduzieren, Risserscheinungen im Bereich der WEZ
vermeiden und der Wasserstoffgehalt wesentlich reduzieren. Auch eine Nachwärmung mit
geringerer Leistung bis zur A C1-Temperatur führt zu einer Reduzierung der Härte und des
Wasserstoffgehaltes.

Abschließende Bewertung der Ergebnisse 63
5. Abschließende Bewertung der Ergebnisse
Die Tauchschweißversuche haben gezeigt, dass die erreichten Festigkeiten durch die geltenden
Korrelations- und Teilsicherheitsbeiwerte für Schweißungen an dem hier untersuchten
hochfesten Spundwandwerkstoff gut abgebildet werden können. Die Untersuchungen
haben zudem gezeigt, dass es bei Schweißungen an diesem Werkstoff im Bereich der WEZ
zu kritischen Härtewerten kommt und Unternaht- und Wurzelrisse auftreten. Ein wesentlicher
Aspekt bei der Bewertung der Schweißungen, welcher im Rahmen dieses Projektes allerdings
nicht untersucht werden konnte, ist die Auswirkung der Handfertigkeit, Technik und
Erfahrung des Tauchers auf das Schweißen hochfester Spundwandwerkstoffe, da diese Faktoren
das Schweißergebnis maßgeblich beeinflussen. Auch wurden hier nur Schweißungen
im Bereich zwischen 2 m und 3 m Wassertiefe untersucht. Somit kann über die mechanisch-technologischen
Eigenschaften der Verbindung und die Genauigkeit der Teilsicherheitsbeiwerte
in größeren Tiefen keine Aussage getroffen werden.
Die neu entwickelte Probengeometrie zur Messung des Wasserstoffgehaltes an Kehlnähten
hat vergleichbare Messwerte zu der Probengeometrie nach nach der Norm ISO 3690 ergeben
und auch die gezeigten Tendenzen für verschiedene Parameter waren vergleichbar.
Zudem bietet die neue Probengeometrie die Möglichkeit den Einfluss von Nachwärmeffekten
durch Mehrlagenschweißung zu berücksichtigen.
Im Rahmen der Laborversuche hat sich gezeigt, dass die verwendete schwerkraftgetriebene
Schweißvorrichtung ungeeignet ist, um qualitativ gute Nähte in Mehrlagentechnik zu erzeugen.
Insbesondere bei Nahtflankenwinkeln unter 90° hat sich für den hier verwendeten Versuchsaufbau
eine Unzulänglichkeit erwiesen.
Die durchgeführten Versuche unter Laborbedingungen haben eine Verbesserung der mechanisch-technologischen
Eigenschaften gezeigt, wobei die untersuchte Probenanzahl zu
gering war, um eine Allgemeingültigkeit der Ergebnisse anzunehmen. Die induktive Wärmenachbehandlung
konnte dennoch bei allen untersuchten Proben zu einer Reduzierung
des Wasserstoffgehaltes und der Härte führen. Insbesondere für die Zugversuche lässt sich
jedoch aufgrund der geringen Probenzahl von teilweise nur einer einzigen Probe maximal
eine Tendenz feststellen.
Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen stimmen im Wesentlichen mit den im
Stand der Technik beschriebenen Versuchsergebnissen anderer Untersuchungen überein.

Ausblick 64
6. Ausblick
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die induktive Wärmenachbehandlung das Potential
besitzt die mechanisch-technologischen Eigenschaften nass unterwassergeschweißter Verbindungen
zu verbessern. Aufgrund der geringen Probenanzahl sind hier allerdings weitere
Untersuchungen mit einer größeren Probenanzahl notwendig. Des Weiteren könnte die Untersuchung
des Einflusses der induktiven Wärmenachbehandlung auf unter realen Bedingungen
von Tauchschweißern geschweißte Nähte einen Ansatz für die Weiterentwicklung
des Verfahrens bieten. Auch wären Untersuchungen des Einflusses auf die zyklische und
dynamische Festigkeit der Schweißverbindungen sinnvoll.
Ein im Rahmen dieses Projektes nicht beachteter Aspekt bei der induktiven Wärmenachbehandlung
ist die elektrische Gefährdung für den Taucher. Die Untersuchung dieser und die
entsprechende Anpassung der Gerätetechnik ist hierbei essentiell für eine Etablierung des
Verfahrens in der Unterwassertechnik. Hierbei ist auch eine Betrachtung der Handhabbarkeit
der Gerätetechnik für den Taucher zu beachten.
In Bezug auf die Bewertung der mechanisch-technologischen Eigenschaften nass unterwassergeschweißter
Kehlnahtverbindungen an hochfestem Stahl wären ebenfalls weiterführende
Untersuchungen sinnvoll. Da die Schweißungen hier in einem Lehrschweißbecken durchgeführt
wurden, wären Versuche mit unter realen Bedingungen an einer Baustelle von verschiedenen
Tauchern geschweißten Proben notwendig, um eine Bewertung derartiger Verbindungen
durchzuführen. Auch sollten in diesem Rahmen unterschiedliche übliche Tauchtiefen
betrachtet werden. Insbesondere bei unter diesen Bedingungen geschweißten Proben
würde sich eine Untersuchung der induktiven Wärmenachbehandlung lohnen.
.

Formales 65
7. Formales
Die finanziellen Mittel wurden entsprechend dem Finanzierungsplan abgerufen. Das wissenschaftlich-technische
Personal wurde gemäß Finanzierungsplan eingesetzt. Für die durchgeführten
Untersuchungen wurden die wissenschaftlichen Mitarbeiter in Teil- bzw. Vollzeit beschäftigt.
Die geleistete Arbeit entspricht in vollem Umfang dem begutachteten und bewilligten
Antrag und war daher für die Durchführung des Vorhabens notwendig und angemessen.

Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen. 66
8. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des
Ergebnisses mit den Zielen.
Zielsetzung
AP1: Erstellung einer Versuchsmatrix und Planung
der Tauchschweißversuche
AP2: Schweißen der Prüfstücke unter Praxisbedingungen
durch erfahrene Unterwasserschweißer
AP3: Auswahl und Ausarbeitung von Proben
AP4: Bestimmung der mechanisch technologischen
Eigenschaften
AP5: Versuchsauswertung und Bewertung der
Ergebnisse
AP6: Optimierung der Ergebnisse mit angepassten
Parametern und Festlegung von Sicherheitsbeiwerten
AP7: Konstruktion und Planung eines Induktors
zur Wärmebehandlung
AP8: Modifikation der Versuchsanlage, Probenvorbereitung,
Induktorbau
AP9: Induktor Erprobung und Parameteranpassung
AP10: Induktive Wärmenachbehandlung von
nass unterwassergeschweißten Kehlnähten in
Laboranlage
Ergebnis
Es wurde in Abstimmung mit dem PA eine Versuchsmatrix
erstellt und die Durchführung der
Tauchschweißversuche in Absprache mit dem
Kompetenzzentrum für das Tauchwesen geplant
Nach der Vorbereitung von Probestücken wurden
diese im Lehrtauchbecken unter realen
Bedingungen von erfahrenen Tauchschweißern
geschweißt.
Die geschweißten Proben wurden einer Sichtprüfung
unterzogen und ausgewählte Proben
wurden für die Zugprüfung vorbereitet. Die
Nahtanfangs- und Endstücke wurden zur Erstellung
von Schliffbildern verwendet. Zusätzlich
wurden Härteprüfungen vorbereitet.
Es wurden Härte- und Zugprüfungen durchgeführt
und mit diesen die mechanischen Eigenschaften
der Verbindungen ermittelt. Zudem
wurden Wasserstoffmessungen zur Ermittlung
der Wasserstoffgehalte der Verbindungen
durchgeführt.
Die durchgeführten Versuche wurden ausgewertet.
Hierbei zeigt sich eine gesteigerte Härte im
Bereich der WEZ und eine unterschiedliche
Festigkeit zwischen den Doppel-T- und den
Doppel-Überlappstößen.
Die Versuchsmatrix wurde im Zuge der Tauchschweißungen
in Absprache mit den Tauchern
angepasst. Auf die Festlegung der Sicherheitsbeiwerte
wurde in Absprache mit dem PA verzichtet.
Stattdessen wurden die im Eurocode 3
angegebenen Kennwerte hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit
für das nasse Unterwasserschweißen
hochfester Stähle bewertet.
Auf Basis des aus dem Vorgängerprojekt bereits
vorliegenden Induktor wurde vom Hersteller ein
an die Kehlnaht angepasster Induktor entworfen
und gefertigt.
Die Versuchsanlage wurde mit einer Probenhalterung
für die T- und Überlappstöße ausgestattet.
Die Proben wurden mittels Brennschneiden
aus den Spundwandbohlen getrennt und durch
Schleifen der Kanten und entfernen der Walzhaut
vorbereitet. Für den Induktor wurde eine
Aluminiumprofilkonstruktion gebaut, welche eine
Positionierung des Induktors über eine Spindel
ermöglicht.
Die Induktor Erprobung erfolgte mit Hilfe von
Thermoelementen, welche in die Naht eingebracht
wurden. Über die Temperaturmessung
wurden dann Induktionsparameter für die untersuchten
Nachwärmprogramme festgelegt.
Die Schweißungen wurden unter Laborbedingungen
im Wassertank durchgeführt. Nach dem
Schweißen wurden ausgewählte Proben mit
dem Induktor über die gesamte Nahtlänge

Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen. 67
AP11: Gefügeuntersuchung, Härtemessungen,
Wasserstoffmessung
AP12: Auswertung der Laborversuche
nachgewärmt. Hierbei hat sich gezeigt, dass der
Induktor eine ungleichmäßige Erwärmung der
Probe bedingt. Zudem wurde festgestellt, dass
Schweißnahtunregelmäßigkeiten eine genaue
Positionierung und somit eine gezielte Erwärmung
beeinträchtigen.
Im Rahmen der Laborversuche wurden Gefügeund
Härteuntersuchungen durchgeführt. Diese
haben gezeigt, dass die induktive Wärmenachbehandlung
zu einer Vermeidung von Rissen
und einer Reduktion der Härte führen kann. Die
Wasserstoffmessungen haben eine Reduktion
des Wasserstoffgehaltes infolge der Wärmenachbehandlung
gezeigt.
Die Auswertung der Laborversuche weist darauf
hin, dass sich die Festigkeit durch induktive
Wärmenachbehandlung verbessern lässt. Die
Untersuchungsergebnisse zeigen das Potential
der induktiven Wärmenachbehandlung zur Verbesserung
der mechanisch-technologischen
Eigenschaften. Die Ergebnisse belegen die Beobachtungen
anderer Untersuchungen zum
induktiven Nachwärmen.

Wissenschaftlich-technischer u. wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse für KMU68
9. Wissenschaftlich-technischer u. wirtschaftlicher Nutzen
der Forschungsergebnisse für KMU
9.1 Wissenschaftlich-technische Ergebnisse
• Die im Eurocode 3 festgelegten Korrelations- und Teilsicherheitsbeiwerte für die Auslegung
von Schweißkonstruktionen lassen sich für nasse Unterwasserschweißungen
an hochfestem Stahl nutzen.
• Es konnte gezeigt werden, dass das Auftreten von Rissen im Bereich der Wärmeeinflusszone
mit Hilfe der induktiven Wärmenachbehandlung vermieden werden kann.
Dieses Phänomen ist hierbei jedoch von der eingekoppelten Leistung des Induktors
abhängig. Auch konnte durch das Nachwärmen ein rekristallisiertes Gefüge im
Schweißgut und eine Reduktion der Härte erzielt werden
• Die Untersuchungen weisen darauf hin, dass die Wärmenachbehandlung des Wasserstoffgehalt
in der Schweißzone deutlich reduzieren kann. Hierbei kann es in Abhängigkeit
der eingekoppelten Leistung zu einem Anstieg an getrapptem Wasserstoff
kommen, wobei auch in diesem Fall der Gesamtwasserstoffgehalt sinkt.
• Die Zugfestigkeit der Schweißverbindungen kann mit Hilfe der Wärmenachbehandlung
gesteigert werden. Hierbei hat sich die Erwärmung bis zur A C1-Temperatur als
besonders effektiv erwiesen.
• Die Versuchsergebnisse spiegeln die Erkenntnisse aus dem Stand der Technik wieder
und zeigen das Potential der induktiven Wärmenachbehandlung zur Verbesserung
der mechanisch-technologischen Eigenschaften nass Unterwassergeschweißter
Kehlnahtverbindungen.
9.2 Wirtschaftliche Ergebnisse
• Die ermittelten Festigkeiten der Tauchschweißversuche legen nahe, dass bei der
Schweißtechnischen Verwendung hochfester Stähle im nassen Bereich die in der
Norm festgelegten Beiwerten zur Anwendung kommen können.
• Die Ergebnisse zeigen das Potential der induktiven Wärmenachbehandlung zur Verbesserung
der mechanisch-technologischen Eigenschaften von nass unterwassergeschweißten
Verbindungen.
• Die Möglichkeit der Vermeidung von Rissen im Bereich der Wärmeeinflusszone
durch eine Wärmenachbehandlung kann Reparaturarbeiten zur Ausbesserung von
Nähten verringern
• Das gezeigte Potential der induktiven Wärmenachbehandlung eröffnet die Möglichkeit
für Unternehmen entsprechende Anlagen und Geräte zu entwickeln und zu vermarkten,
wobei hier die elektrische Gefährdung des Tauchers zu beachten ist.

Wissenschaftlich-technischer u. wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse für KMU69
9.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit
Innerhalb des Projektes wurden die mechanisch-technologische Eigenschaften unter realen
Bedingungen von Tauchschweißern nass unterwassergeschweißter Kehlnähte ermittelt und
in Bezug auf die zur konstruktiven Auslegung verwendeten Beiwerte bewertet. Diese Erkenntnisse
können seitens der Anwender direkt genutzt werden, um Konstruktionen im maritimen
Bereich auszulegen.
Das gezeigte Potential der induktiven Wärmenachbehandlung zur Verbesserung der mechanisch-technologischen
Eigenschaften nass unterwassergeschweißter Kehlnähte eröffnet
Unternehmen die Möglichkeit zur Weiterentwicklung dieser Technologie: zudem erlaubt es
den Unternehmen Anlagen und Geräte zur induktiven Wärmenachbehandlung zu entwickeln
und zu vermarkten. Die nicht im Rahmen dieses Projektes untersuchte elektrische Gefährdung
ist hierbei jedoch besonders zu beachten.
Aufgrund des oben genannten, wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzen für
die Industrie werden die Anforderungen zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft und insbesondere
zu kleinen und mittleren Unternehmen erfüllt.
Die aufgeführten bereits erfolgten und noch ausstehenden Transfermaßnahmen werden somit
insgesamt hinsichtlich ihrer Realisierbarkeit als voll realisierbar eingestuft

VII Literaturverzeichnis 70
VII
Literaturverzeichnis
[1] „Bundeswasserstraßen“ Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes,
https://www.gdws.wsv.bund.de/DE/wasserstrassen/01_bundeswasserstrassen/bundeswa
sserstrassen-node.html (Zugriff am 14.02.2023)
[2] Handbuch Altlasten Band 6 Teil 3: Sanierungstechniken und -verfahren, Hessisches Landesamt
für Umwelt und Geologie 2010
[3] H. J. Joeris: Instandhaltung von Wasserbauwerken – Kernaufgabe der WSV, Kolloquium
Instandhaltung von Wasserbauwerken, Bundesanstalt für Wasserbau 2016
[4] „Erneuerbare Energien“ Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz,
https://www.bmwk.de/Redaktion/DE/Dossier/erneuerbare-energien.html (Zugriff am
14.02.2023)
[5] K. Lenz; U. Reisgen; S. Olschok: Abschlussbericht „Mechanisch technologische Eigenschaften
unterwassergeschweißter hoch- und höherfester Stähle“, RWTH Aachen 2017
[6] J. Klett; I. Mattos; H. Maier; R. e Silva; T. Hassel: Control of the diffusible hydrogen content
in different steel phases through the targeted use of different welding consumables in
underwater wet welding, Materials and Corrosion 2020
[7] D. Ravichandar; T. Balusamy; R. Gobinath; G. Balachandran: Behaviour of Hydrogen in
Industrial Scale Steel Melts, Transactions of the Indian Institute of Metals 71, Springer
Verlag 2018
[8] J. Łabanowski; D. Fydrych; G. Rogalski: Underwater Welding – a Review, advances in
materials science, Gdańsk University of Technology 2008
[9] P. Szelagowski: Unterwasser-Schweißtechnik: Grundlagen - Forschung - Anwendung,
DVS Media, 2015
[10] J. Tomków; A. Janeczek; G. Rogalski, A. Wolski: Underwater Local Cavity Welding of
S460N Steel, Materials Band 13, 2020
[11] D. Fydrych; J. Łabanowski; J. Tomków; G. Rogalski: Cold cracking of underwater wet
welded S355G10+N high strength steel, advances in materials science, Gdańsk University
of Technology 2015
[12] J. Hilkes; J. Tuchtfeld: Underwater “Wet Welding & Cutting” with NAUTICA stick electrodes
for Marine and Offshore applications, Welding and Cutting 2020
[13] DIN 2302: Schweißzusätze ‐ Umhüllte Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen
von unlegierten Stählen und Feinkornstählen in nasser Überdruckumgebung – Einteilung,
Stand: 03.2018
[14] J. Klett; T. Wolf; H. J. Maier; T. Hassel: The Applicability of the Standard DIN EN ISO
3690 for the Analysis of Diffusible Hydrogen Content in Underwater Wet Welding, Materials
Band 13, 2020
[15] P. Szelagowski: Nasses Unterwasserschweißen von Unterwasserstrukturen – Stand der
Technik und Maßnahmen in der Qualitätssicherung, DVS-Berichteband 162, 1994

VII Literaturverzeichnis 71
[16] O. Brätz; J. Klett; T. Wolf; T. Hassel; K. M. Henkel; H. J. Maier: Induction Heating in Underwater
Wet Welding-Thermal Input, Microstructure and Diffusible Hydrogen Content,
Materials Band 15, 2022
[17] H. T. Zhang; X. Y. Dai; J. C. Feng; L. L. Hu: Preliminary investigation on real-time induction
heating-assisted underwater wet welding, Welding Journal 94, 2015
[18] DIN EN ISO 3690, Stand: 12.2018: Schweißen und verwandte Prozesse ‐ Bestimmung
des Wasserstoffgehaltes im Lichtbogenschweißgut
[19] DIN EN ISO 6892-1, Stand: 06.2020: Metallische Werkstoffe ‐ Zugversuch ‐ Teil 1: Prüfverfahren
bei Raumtemperatur
[20] DIN 50125, Stand: 08.2022: Prüfung metallischer Werkstoffe ‐ Zugproben
[21] DIN EN ISO 148-1, Stand: 05.2017: Metallische Werkstoffe - Kerbschlagbiegeversuch
nach Charpy - Teil 1: Prüfverfahren
[22] AWS D3.6M:2017: Underwater Welding Code, Januar 2017
[23] DIN EN 1993-1-8, Stand: 12.2010: Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten
- Teil 1-8: Bemessung von Anschlüssen
[24] Voestalpine Böhler Welding UTP Maintenance GmbH: UTP Nautica 20: Unterwasser-Reperaturelektrode.
2021
[25] EFD Induction GmbH