SB_20405NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Verbesserung der mechanisch
technologischen Eigenschaften
von nass unterwasser
geschweißten Kehlnähten an
hochfesten Stählen

Verbesserung der mechanisch
technologischen Eigenschaften
von nass unterwassergeschweißten
Kehlnähten an
hochfesten Stählen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.405 N
DVS-Nr.: V4.2264
RWTH Aachen
Institut für Schweißtechnik
und Fügetechnik (ISF)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.405 N / DVS-Nr.: V4.2264 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 570
Bestell-Nr.: 170680
ISBN: 978-3-96870-570-5
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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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)

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

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.