SB_21304NLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Bewertung von
Hochleistungsschweißprozessen
unter den
Bedingungen der Neufertigung
von Windenergieanlagen

Bewertung von
Hochleistungsschweißprozesse
n unter den Bedingungen der
Neufertigung von
Windenergieanlagen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.304 N
DVS-Nr.: WE.3328
RWTH Aachen
Institut für Schweißtechnik
und Fügetechnik (ISF)
Schweißtechnische Lehr- und
Versuchsanstalt Halle GmbH (SLV)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.304 N / DVS-Nr.: WE.3328 der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 585
Bestell-Nr.: 170695
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Schlussbericht vom 13.12.2023
zu IGF-Vorhaben Nr. 21.304 B
Thema
Bewertung von Hochleistungsschweißprozessen unter den Bedingungen der Neufertigung von
Windenergieanlagen
Berichtszeitraum
01.12.2020 bis 31.05.2023
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik, RWTH Aachen
Pontstraße 49, 52062 Aachen
Institutsleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen
Projektleiter: Dr.-Ing. Simon Olschok
Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Halle GmbH
Köthener Straße 33a, 06118 Halle (Saale)
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Steffen Keitel
Projektleiter: Dipl.-Ing. Uwe Mückenheim

Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 21.304 B Seite 4 von 96
Förderhinweis und Danksagung
Das IGF-Vorhaben 21.304 B „Bewertung von Hochleistungsschweißprozessen unter den Bedingungen
der Neufertigung von Windenergieanlagen“ der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Straße 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.
Die Bearbeitung erfolgte am Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen
unter der Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen und der Schweißtechnische Lehr- und
Versuchsanstalt Halle GmbH unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Steffen Keitel.
Unser Dank gilt den im projektbegleitenden Ausschuss (PA) tätigen Firmen und deren Vertretern,
die durch die Bereitstellung von Grundwerkstoffen, Zusatzwerkstoffen und Anlagentechnik, sowie
für die intensiven Diskussionen und Beratungen, die zum Erfolg des Forschungsprojektes beigetragen
haben.
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit
Die Arbeiten wurden gemäß dem Forschungsantrag und den vom PA beschlossenen
Änderungen durchgeführt.
Alle geleisteten Arbeiten waren angemessen und notwendig, um die geplanten Arbeitspakete zu
bearbeiten, welche zum Forschungsziel des Projektes führten. Die durchgeführten Arbeiten
erfolgten in Absprache und mit Unterstützung des PA.

Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 21.304 B Seite 5 von 96
Inhalt
Zusammenfassung ................................................................................................................... 2
Förderhinweis und Danksagung ............................................................................................. 4
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ................................................. 4
Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................ 7
Tabellenverzeichnis ............................................................................................................... 10
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ..................................... 11
2 Stand der Technik ............................................................................................................. 13
3 Forschungsziel, angestrebte Ergebnisse und deren innovativer Beitrag ............................ 15
3.1 Forschungsziel ........................................................................................................... 19
3.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse ..................................... 20
4 Experimentelle Versuchsdurchführung und deren Ergebnisse .......................................... 21
4.1 Analyse der Randbedingungen und Ableitung der Anforderungen ............................. 21
4.2 Laserstrahl-Tandemunterpulver Hybridschweißen (LUPuS) ....................................... 23
4.2.1 Anlagenaufbau LUPuS Hybrid und konstruktive Weiterentwicklung zum LUPuS
Tandemhybridprozess ....................................................................................................... 24
4.2.2 Prozessentwicklung beim Vorhandensein von Fügespaltweiten .......................... 28
4.2.3 Prozessentwicklung beim Vorhandensein von Versatzweiten und kombinierten
Bauteiltoleranzen............................................................................................................... 32
4.2.4 Prozessgrenzen des LUPuS Tandemhybridschweißens ..................................... 33
4.2.5 Zusammenfassung der Ergebnisse ..................................................................... 35
4.3 Plasma-Heißdraht-UP ................................................................................................ 36
4.3.1 Anlagenaufbau .................................................................................................... 36
4.3.2 Prozessentwicklung ............................................................................................ 38
4.3.3 Erfassung von Wirkzusammenhängen ................................................................ 45
4.3.4 Ermittlung der Prozessgrenzen ........................................................................... 47
4.4 LB-MSG mit Diodenlaser ............................................................................................ 47
4.4.1 Einschweißversuche LB-MSG mit Diodenlaser ................................................... 48
4.4.2 Umrüstung der Optik ........................................................................................... 50
4.4.3 Erneute Einschweißversuche und Ableitung der Nahtgeometrie ......................... 50

Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 21.304 B Seite 6 von 96
4.4.4 Versuchsreihe zur Spaltüberbrückbarkeit, zum Prozessabstand und zur
Verfahrensfolge ................................................................................................................. 52
4.4.5 Schlussfolgerung für einseitige Schweißungen ................................................... 56
4.4.6 Beidseitige Schweißungen .................................................................................. 57
4.4.7 Untersuchungen zur Gegenlagenschweißung mittels UP .................................... 59
4.5 MSG-Hochleistungsschweißen mit gepulstem, rotierendem Lichtbogen (MAGr) ........ 60
4.5.1 Prozessentwicklung MAGr .................................................................................. 61
4.5.1.1 Versuchsreihe im Nullspalt ........................................................................... 61
4.5.1.2 Untersuchungen zur Spaltüberbrückbarkeit .................................................. 69
4.5.1.3 Schlussfolgerung einseitige Schweißversuche ............................................. 72
4.5.2 Ermittlung mechanisch-technologischer Gütewerte ............................................. 72
5 Wirtschaftlichkeitsvergleich am Bsp. eines Demonstrators ................................................ 79
6 Zusammenfassung ............................................................................................................ 82
7 Verwendung der Zuwendung ............................................................................................ 83
7.1 Personaleinsatz .......................................................................................................... 83
7.2 Geräteanschaffung ..................................................................................................... 83
7.3 Leistungen Dritter ....................................................................................................... 83
8 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen ...... 84
9 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Bedeutung der Forschungsergebnisse für
kmU .......................................................................................................................................... 87
10 Plan zum Ergebnistransfer ................................................................................................ 89
10.1 Durchgeführte Transfermaßnahmen während der Projektlaufzeit ............................... 89
10.2 Transfermaßnahmen nach Abschluss des Vorhabens ............................................... 90
10.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts .................................................................................................................. 91
11 Forschungseinrichtung ...................................................................................................... 91
13 Schrifttum .......................................................................................................................... 92

Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 21.304 B Seite 11 von 96
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Auf dem Klimaschutzgipfel von Kyoto / Japan wurden 1997 bereits verbindliche Ziele für die Reduzierung
des Ausstoßes von klimaschädlichen Treibhausgasen, zu denen auch das bei der Verbrennung
von fossilen Brennstoffen anfallende CO 2 gehört, im sogenannten Kyoto-Protokoll formuliert,
welches im April 2002 auch von der Bundesrepublik Deutschland ratifiziert wurde.
Deutschland hat sich innerhalb der EU zu den höchsten Einsparungen verpflichtet und ist bestrebt,
hier eine Vorreiterrolle einzunehmen. Auf der Klimaschutzkonferenz 2011 in Durban / Süd
Afrika wurde die Verlängerung des Kyoto-Protokolls beschlossen sowie die Staaten aufgefordert,
ihre Anstrengungen zur Senkung des Ausstoßes an Treibhausgasen zur Erreichung der formulierten
Klimaziele zu verstärken. Ziel bleibt die Begrenzung des Anstiegs der durchschnittlichen
Temperatur auf 1,5°-2° gegenüber dem Durchschnitt aus vorindustriellen Verhältnissen [1] [2].
Auf dem UN-Weltklimagipfel 2015 in Paris wurden diese Werte erneut bestätigt, zudem wurde
beschlossen, die CO 2-Nettoemmisionen in der zweiten Hälfte des 21 Jahrhunderts bis auf null
herunter zu fahren [3]. Just hat die Bundesregierung im September 2019 die zu erreichenden
Ziele nochmals bestätigt und darauf aufbauend ein weiteres Klimaschutzprogramm aufgelegt.
Diesbezüglich können technisch lediglich zwei Wege beschritten werden. Einer kann die Einsparung
von Primärenergie durch Steigerung der Energieeffizienz sein und den zweiten kann eine
Substitution der fossilen Energieträger durch nachhaltige, erneuerbare Energien wie Sonnenenergie,
Erdwärme, Wasserkraft oder Windkraft darstellen.
Bei den erneuerbaren Energien nimmt die Windkraft eine bedeutende Position bei der Umsetzung
dieser Ziele ein. Abbildung 1 zeigt eine von 2002 ausgehende Entwicklung über die momentane
Situation bis hin zu den aktuell erwarteten Zuwächsen bis 2024 in Deutschland auf.
Abbildung 1: Leistung und Anzahl der Windenergieanlagen in den einzelnen Bundesländern sowie Nordund
Ostsee (Stand 2014) aufgeteilt nach Installationsjahr sowie Ausbauplanungen bis 2024 im Szenario C
(Ausbauziele der Bundesländer) des Netzentwicklungsplans [4]

Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 21.304 B Seite 12 von 96
Trotz erheblicher Anstrengungen zum Ausbau Gewinnung von Elektrizität aus Windenergie ist
die tatsächlich installierte Leistung Onshore wie Offshore immer noch weit von der bis 2024 angestrebten
installierten Leistung entfernt. Weiterhin ist der Abbildung zu entnehmen, dass ein
zunehmender Anteil der bereits installierten Leistung an Land zum Repowering ansteht, d.H. die
existierenden Anlagen sollen über kurz oder lang durch moderne und leistungsfähigere Geräte
am selben Standort ersetzt werden, was faktisch einen gänzlichen Windmühlenneubau bedeutet.
Als Fügetechnologie für die Fertigung von Türmen und Gründungstrukturen der Anlagen zur
Wandlung von Windkraft in elektrische Energie kommt in großem Stile das Schweißen zum Einsatz.
Die Bauteile in diesen Fertigungsstrecken weisen sehr komplexe Geometrien mit großen
Wanddicken (bis 150 mm) auf [4], so dass schon die Vorbereitung der Einzelteile durch Schneiden
und Biegen aber auch die Sicherstellung der geforderten Genauigkeiten eine große Herausforderung
darstellen. Aus den Wanddicken resultierende große Schweißnahtvolumina, die wegen
der erreichbaren Zusammenbautoleranzen teilweise manuell eingebracht werden müssen, limitieren
die Produktivität, und stellen deshalb einen limitierenden Faktor dar, der den im Rahmen
der Energiewende angestrebten ehrgeizigen Ausbau der Windenergie erschwert [4]. Ein erhebliches
Leichtbaupotenzial könnte durch die Substitution der genannten Werkstoffe durch höherund
hochfeste Baustähle genutzt werden, wenn entsprechende bruch- und schädigungsmechanische
Betrachtungen durchgeführt werden und die Schweißtechnik in der Lage ist, diese zu verarbeiten,
sodass die Anforderungen aus der Windenergie erfüllt werden. Dies reduziert zusätzlich
die Kosten für die Schweißtechnik, da die Fertigungszeiten weiter verringert und Schweißzusatzwerkstoff
eingespart werden kann. Herausforderung bei der schweißtechnischen Verarbeitung
der höher- und hochfesten Stähle ist die Komplexität der Wärmeführung, wobei nicht jedes Verfahren
bei diesen Werkstoffen zur Anwendung gelangen kann.
Der mit der o.g. manuellen Arbeit einhergehende hohe Kostenanteil birgt zusätzlich die Gefahr,
dass die Produktion von Gründungstrukturen und Türmen in Billiglohnregionen ausgelagert wird
und so Arbeitsplätze und Knowhow abfließen. Eine auf die Bedürfnisse der Windenergie ausgerichtete
Weiterentwicklung der Fügeverfahren kann und wird dazu beitragen, diesen Flaschenhals
und Kostenblock zu entschärfen [4].
Neben rechtlichen und technischen Gründen ist dieser schleppende Ausbau der Windenergie
unter anderem somit auch wesentlich durch die bis heute limitierten Produktionskapazitäten begrenzt.
Ein bedeutender Flaschenhals ist hier unter anderem die Fügetechnik in den Produktionswerken,
die einen erheblichen Anteil an den Fertigungszeiten und -kosten verursacht. Für die
Großrohrherstellung kommen ausschließlich herkömmliche Lichtbogenverfahren wie MSG oder
UP-Mehrdraht zum Einsatz. Diese Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte
Blechdicke mit Schweißzusatzwerkstoff aufgefüllt bzw. ein großer Nahtquerschnitt gefüllt werden
muss. Neben den Kosten und dem Energiebedarf für die Drahtherstellung wird dadurch vor allem

Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 21.304 B Seite 13 von 96
beim Schweißen selbst sehr viel Energie benötigt. Ein Ziel muss es also sein, das Schweißnahtvolumen
zu verkleinern, um Kosten, aber auch Fertigungszeit einsparen zu können.
Zur Erreichung der Ausbauziele sind daher Fügeverfahren erforderlich, die höhere Produktivitäten
(bspw. durch geringere Nahtvolumina) und darüber hinaus auch Kostenreduzierungen ermöglichen
(DVS Studie - Situation der Fügetechnik im Windenergieanlagenbau, 2016). Ein Ansatz
ist, eine günstige verfahrensspezifische Nahtvorbereitung vorzusehen, die mit innovativen
Verfahren verschweißt wird, sodass anschließend weniger UP-Lagen benötigt werden, um die
Verbindung fertig zu schweißen.
2 Stand der Technik
Die Herstellung der Türme wie auch der Gründungen erfolgt heute sowohl in der Vorfertigung als
auch bei der Montage mit den klassischen und bewährten Verfahren des Stahlbaues. In der Werkstatt
werden bevorzugt das Unterpulverschweißen, teilweise auch als Mehrdrahtprozess, und das
Metallschutzgasschweißen eingesetzt. Bei letzterem kommen auch moderne digital geregelte
Prozesse zum Einsatz, wie der Hochleistungskurzlichtbogen. Diese Prozesse ermöglichen aufgrund
niedriger elektrischer Spannungen und erhöhtem Stromkontaktrohrabstand die Anwendung
schmalerer Nahtfugenvorbereitungen und helfen somit, Schweißnahtvolumen einzusparen.
Trotz dieser verringerten Nahtöffnungswinkel und der Anwendung von Mehrdrahtprozessen werden,
wie in Ab-bildung 2 zu sehen ist, eine Vielzahl an Schweißraupen für die Füllung des Querschnittes
benötigt (in diesem Fall 13 Schweißraupen am 40 mm Blech). Dies ist auf die max.
Füllhöhe von 5 mm zurückzuführen. [5]
Die Montage der Bauteile auf der Baustelle erfolgt später überwiegend durch Schrauben [6] [7].
Als Werkstoffe werden im Windenergieanlagenbau derzeit überwiegend Stähle in der Güteklasse
S355J2 eingesetzt. Um die zum Teil hohen dynamischen Lasten abzufangen, müssen teils Fügepartner
mit sehr großen Blechdicken (100 mm oder mehr) verschweißt werden [8]. Höher- und
hoch-feste Werkstoffe finden aufgrund der theoretisch fehlenden Plastizität momentan noch keine
Ver-wendung im Windturmbau. Überlegungen aus [9] zeigen allerdings, dass hoch- und höherfeste
Baustähle unter Zuhilfenahme neuer Rechenmethoden das Potential zur Verringerung der
Wanddicken aufweisen und damit den zu füllenden Querschnitt und folgend die Fertigungszeit
reduzieren würden. Allerdings stellt auch gerade bei höherfesten Stahlgüten die bei der schweißtechnischen
Verarbeitung unvermeidbare Materialschwächung im Bereich der Wärmeeinflusszone
eine Heraus-forderung dar. In [10] wurde für die Anforderungen einer On-Shore-Windenergieanlage
das Elektronenstrahlschweißen für einen S460 qualifiziert. Neben der schweißtechnischen
Beherrschung konnte der bruchmechanische Nachweis geführt werden, dass geschweißte
Grundwerkstoffe sowie Schweißungen den gestellten Anforderungen gerecht werden. Diese Ver-