SB_21504NLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Elektromagnetische
Härteprüfung für die
Wärmeeinflusszone
von Unterwasser-
Schweißnähten

Elektromagnetische
Härteprüfung für die
Wärmeeinflusszone von
Unterwasser-Schweißnähten
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.504 N
DVS-Nr.: V4.3342
Leibniz Universität Hannover
Institut für Werkstoffkunde (IW)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.504 N / DVS-Nr.: V4.3342 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
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 579
Bestell-Nr.: 170682
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 30.10.2023
zu IGF-Vorhaben Nr. 21.504 N
Thema
Elektromagnetische Härteprüfung für die Wärmeeinflusszone von Unterwasser-Schweißnähten
Berichtszeitraum
01.12.2020 - 31.05.2023 (inkl. 6 Monate kostenneutrale Verlängerung)
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.v. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Leibniz Universität Hannover, Institut für Werkstoffkunde (IW)

Seite 2 des Abschlussberichtes des IGF-Vorhaben 21.504 N
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ............................................................................................................................ 3
2. Stand der Technik ............................................................................................................... 4
3. Arbeitsdiagramm ................................................................................................................. 8
4. Projektergebnisse im Vergleich mit den Zielen .................................................................. 10
4.1. Arbeitspaket 1: Auslegung, Umsetzung und Inbetriebnahme von Sensortechnik zur
Erfassung von Wärmeeinflusszonen ..................................................................................... 10
4.2. Arbeitspaket 2: Entwicklung von Modellen zur Kennwertbestimmung der Härte mittels
Wirbelstromtechnik ............................................................................................................... 15
4.3. Arbeitspaket 3: Untersuchung des Härteprüfmodells hinsichtlich Einflussgrößen ....... 18
4.4. Arbeitspaket 4: Validierung des Prüfsystems zur Abbildung der WEZ an realen
Schweißnähten ..................................................................................................................... 22
4.5. Arbeitspaket 5: UW-Erprobung an praxisrelevanten Anwendungsfällen und
exemplarischen Funktionsnachweis anhand von getemperten Schweißnähten .................... 30
4.6. Arbeitspaket 6: Erstellung eines Anwendungskonzeptes ............................................ 32
4.7. Zusammenfassung Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des
Ergebnisses mit den Zielen ................................................................................................... 34
5. Wissenschaftlicher und wirtschaftlicher Nutzen für KMU ................................................... 35
5.1. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung .............................. 35
5.2. Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU............ 38
6. Zusammenfassung, Fazit .................................................................................................. 39
7. Umsetzbarkeit und Transfer der Ergebnisse ...................................................................... 40
7.1. Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ............................................................... 40
7.2. Einschätzung der Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts .................................................................................................................. 42
8. Verwendung der Zuwendung ............................................................................................ 43
9. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ............................................... 43
10. Förderhinweis ................................................................................................................ 43
11. Literaturverzeichnis ........................................................................................................ 44
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Seite 3 des Abschlussberichtes des IGF-Vorhaben 21.504 N
1. Einleitung
Für eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende, mit der Deutschland bis zum Jahr 2045
treibhausgasneutral werden will, ist der Ausbau der Offshore-Windenergie eine wichtige Säule.
Dazu wurden im Windenergie-auf-See-Gesetz § 1 „Zweck und Ziel des Gesetzes“ folgende
Ausbauziele festgelegt: Ausbau der installierten Offshore-Windenergieleistung auf mindestens
30 Gigawatt bis zum Jahr 2030 und auf mindestens 70 Gigawatt bis zum Jahr 2045.
Dies führt langfristig zu einer steigenden Anzahl von Offshorewindenergieanlagen (OWEA).
Gleichzeitig nimmt der Bestand an älteren OWEA zu, z.B. ist seit 2010 der erste deutsche
Offshore-Windpark „alpha ventus“ in Betrieb. Bei einer angenommenen Lebensdauer von ca. 20-
25 Jahren müsste dieser Offshore-Windpark bereits zum ersten Ausbauziel 2030 außer Betrieb
genommen werden. [1] Offshore-Bauwerke wie Windenergieanlagen sind aufgrund ihrer
exponierten Lage ständigen zyklischen Belastungen durch unterschiedliche
Witterungsbedingungen, aber auch durch den Betrieb ausgesetzt. [2–4] Um auch ältere Anlagen
über ihre geplante Lebensdauer hinaus betreiben zu können, müssen Reparatur- und
Wartungsarbeiten auch unter Wasser durchgeführt werden können. Für solche Reparaturarbeiten
kann das nasse Lichtbogenhandschweißen eingesetzt werden. [5, 6] Beim
Unterwasserschweißen tritt aufgrund der schnellen Abkühlung durch das umgebende Medium
Wasser eine verkürzte t 8/5-Zeit auf, in der die Temperatur von 800 °C auf 500 °C absinkt und
wesentliche Gefügeumwandlungen stattfinden. Oberhalb der Wasserlinie können Vor- und
Nachwärmtechniken eingesetzt werden, um das sich ausbildende bzw. vorhandene Gefüge
einzustellen. Unterhalb der Wasserlinie sind diese jedoch nur sehr eingeschränkt anwendbar. So
bildet sich beim Schweißen unterhalb der Wasserlinie in der Wärmeeinflusszone ein härteres,
martensitisch-bainitisches Gefüge aus. Infolge mechanischer Beanspruchung kann dieses
härtere und sprödere Gefüge zu Rissinitiierungen führen. Aus diesem Grund wird im DVS-
Merkblatt 1818 für die Zuverlässigkeit von Unterwasserschweißverbindungen ein maximaler
CEV-Wert von 0,4 Ma.-% festgelegt. [7–9]
Zur Verdeutlichung der Problematik sind in Abbildung 1 zwei Härteverläufe über den
Probenquerschnitt einer Auftragschweißnaht auf Proben aus dem Werkstoff S430GP dargestellt.
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Seite 4 des Abschlussberichtes des IGF-Vorhaben 21.504 N
Abbildung 1: Schliffbild einer UW-Schweißnaht auf S430GP mit Angabe der Lage der Härtespur – Vergleich von
Härteprofilen (HV0,2) von an Atmosphäre und Unterwasser geschweißten Auftragschweißnähten auf S430GP [10]
Eine Probe wurde an Atmosphäre und die andere unterhalb der Wasserlinie geschweißt. Es ist
zu erkennen, dass bei beiden Proben eine Härtezunahme im Bereich der Wärmeeinflusszone
auftritt. Bei der unterhalb der Wasserlinie geschweißten Probe ist diese Zunahme jedoch deutlich
größer als bei der an Atmosphäre geschweißten Probe. Da eine zu starke Aufhärtung zu einem
vorzeitigen Versagen führen kann, wird in den Regelwerken die maximale Härte in der
Wärmeeinflusszone zur Qualifizierung von Schweißnähten herangezogen. Die DIN EN ISO
15614-1 gibt eine maximale Härte von 380 HV10 und die amerikanische Norm AWS D3.6M:2017
eine maximale Härte von 325 HV10 vor. [11, 12] Für die Qualifizierung von Schweißverbindungen
werden bisher zumeist Vergleichsproben hergestellt. Für eine genauere Qualifizierung bietet sich
jedoch eine zerstörungsfreie Prüfung am Ort der Reparatur an. Bislang existierte jedoch kein
zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Bestimmung der maximalen Härte in der
Wärmeeinflusszone. Daher wurde in diesem Projekt eine Prüftechnik auf Basis der
Harmonischen Analyse von Wirbelstromsignalen entwickelt und das Potential zur
Härtebestimmung dargestellt. Zur Interpretation der Messsignale wurden unter anderem ein
Klassifikationsmodell auf Basis eines k-nächste-Nachbarn Algorithmus und ein
Regressionsmodell auf Basis der Gauß-Prozess-Regression entwickelt.
2. Stand der Technik
2.1. Unterwasser-Schweißprozess
Das Schweißen in nasser Umgebung wird mehr als jedes andere Schweißverfahren von den
vorherrschenden Umgebungsbedingungen beeinflusst. Die entstehende Problematik beinhaltet
insbesondere folgende maßgebliche Umstände [13, 14]:
• Die Dissoziation des den Lichtbogen umgebenden Wassers in die Bestandteile Wasser-
und Sauerstoff und die damit resultierende Wasserstoffschädigung des Schweißguts.
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Seite 5 des Abschlussberichtes des IGF-Vorhaben 21.504 N
• Aufgrund des freigesetzten Sauerstoffs erfolgt ein Abbrand von Legierungselementen wie
beispielsweise Mangan und Silizium.
• Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit entsteht eine hohe Härte in dem Schweißgut
und der WEZ.
• Einfluss der Wassertiefe auf die Porosität des Schweißgutes durch behinderte Entgasung
der Schmelze. Die Einsatztiefe beträgt derzeit noch etwa 50 bis 80 m.
• Aufkohlung des Schweißgutes durch erhöhtes Kohlenstoffangebot. Die
Kohlenstoffanreicherung ist tiefenabhängig und steigt mit dem Umgebungsdruck.
Die wesentlichen Nachteile aller nassen Schweißprozesse liegen somit in der Anwesenheit von
Wasser begründet. Trotz dessen stehen den Nachteilen die Vorteile des geringen
Geräteaufwandes und der damit verbundenen extrem schnellen Verfügbarkeit und örtlichen
Flexibilität gegenüber. Des Weiteren erfolgt eine deutliche Kostensenkung durch die direkte
Instandsetzungs- und Konstruktionsschweißung im Wasser ohne aufwändige
Habitatsbereitstellung [13, 14].
Der nasse Lichtbogenhandschweißprozess wird in der Regel bei Reparaturen bis zu einer
Wassertiefe von etwa 50 m verwendet. Aufgrund der komplexen Umgebungsbedingungen wird
jedoch bei der Verarbeitung der eingesetzten Bau- und Feinkornstähle die Prozessgrenze
teilweise überschritten [6]. Weiterhin verlangen die vorherrschenden Schweißbedingungen eine
hohe Konzentration des Unterwasserschweißers auf die exakte Ausführung des
Schweißprozesses und die umgebenden Verfahrensbedingungen. Die Umstände haben zur
Folge, dass die Taucher sehr schnell ermüden und dementsprechend eine erhöhte
Fehleranfälligkeit während des Schweißprozesses entsteht [14].
Während des Unterwasserschweißens mit einer Stabelektrode entsteht eine Dampf-Gas-
Kaverne. Diese ist erforderlich, um die Schmelze vor der Wassereinwirkung zu schützen und zur
Stabilisierung des Lichtbogens beizutragen. Die Kaverne besteht hauptsächlich aus H 2 und CO.
Beim Schweißen treten im Lichtbogen Temperaturen von bis zu 5000 K auf, wodurch
Dissoziations- und Rekombinationsreaktionen in der Gasdampfblase sowie um den Lichtbogen
erfolgen [15]. Der entstehende diffusible Wasserstoff bzw. Wasserstoffpartialdruck sorgt für eine
erhöhte Aufnahme dessen ins flüssige Schweißgut. Die hohen Abkühlraten beim UW-Schweißen
verhindern jedoch eine Auswärtsdiffusion, wodurch der Wasserstoff übersättigt im Werkstoff
verbleibt. Die wasserstoffunterstützte Kaltrissneigung (HAC) von Stählen ist ein häufig
auftretendes Schadensbild. Die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Kaltrissneigung sind die
lokale Wasserstoffkonzentration, lokale Gefügeausbildung und der lokale Spannungszustand.
Erreicht die Kombination der drei Haupteinflussgrößen einen kritischen Zustand, so kann es zur
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