SB_22900LP

2025
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Entwicklung einer
fließfähigen und
förderbaren Pulverabdeckung
zum Schutz
des Lichtbogens beim
nassen Unterwasserschweißen
mit
Massivdraht

Entwicklung einer fließfähigen
und förderbaren
Pulverabdeckung zum Schutz
des Lichtbogens beim nassen
Unterwasserschweißen mit
Massivdraht
Abschlussbericht zum
Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 22.900
DVS-Nr.: V4.3696
Leibniz Universität Hannover Institut
für Werkstoffkunde (IW)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 22.900 N / DVS-Nr.: V4.3696 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
© 2025 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 604
Bestell-Nr.: 170714
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-home.de
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Schlussbericht vom 29.09.2025
zum IGF-Vorhaben 01IF22900N
Thema
Entwicklung einer fließfähigen und förderbaren Pulverabdeckung zum Schutz des Lichtbogens beim nassen
Unterwasserschweißen mit Massivdraht
Berichtszeitraum
01.04.2023 bis 31.03.2025
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS
Aachener Str. 172
40223 Düsseldorf
Forschungseinrichtung(en)
Institut für Werkstoffkunde
Leibniz Universität Hannover (LUH)
An der Universität 2
30823 Garbsen
IGF-VORDRUCK DLR-PT Stand: Januar 2025

Forschungseinrichtungen
An der Durchführung des Forschungsvorhabens war die folgende Forschungseinrichtung beteiligt:
Institut für Werkstoffkunde IW,
Leibniz Universität Hannover
An der Universität 2
30823 Garbsen
Einrichtungsleiter:
Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier
Fon: +49 (0) 511 762 4311 und 4312
Fax: +49 (0) 511 762 5245
Mail: maier@iw.uni-hannover.de
Projektleiter:
Dr.-Ing. Thomas Hassel
Fon: +49 (0) 511 762 9813
Fax: +49 (0) 511 762 9899
Mail: hassel@iw.uni-hannover.de
Projektbearbeiter:
Dr.-Ing. Ivan Lendel
Fon: +49 (0) 511 762 9822
Fax: +49 (0) 511 762 9899
Mail: lendel@iw.uni-hannover.de
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22900N

Danksagung
Das Forschungsvorhaben (IGF-Nr. 01IF22900N, DVS-Nr. V4.3696) „Entwicklung einer fließfähigen und förderbaren
Pulverabdeckung zum Schutz des Lichtbogens beim nassen Unterwasserschweißen mit Massivdraht“
der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren des DVS e. V. wurde über den Projektträger
des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR Projektträger) im Rahmen des Programms zur
Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Den
genannten Institutionen sei für die Förderung und finanzielle Unterstützung des Forschungsvorhabens gedankt.
Die Forschungseinrichtung bedankt sich weiterhin bei den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses
(PA) für die Unterstützung in Form der Teilnahme an den PA-Sitzungen und die Einbringung von vorhabenbezogenen
Leistungen. Die im PA vertretenden Firmen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Projektpate war Herr
Wilfried Schmeling (Ingenieurberatung Bröggelhoff GmbH), dem speziell für seine ausdauernde Unterstützung
gedankt sei.
Eine wertschätzende und konstruktive Begleitung des Forschungsvorhabens durch den DVS Fachausschuss V
4 „Unterwassertechnik“ unter dem Vorsitz von Herrn Dipl.-Ing. Rudolf Kolbusch hat dankenswerter Weise
wesentlich zu dem erfolgreichen Projektabschluss beigetragen.
Tabelle 1: Mitglieder des projektbegleitenden Ausschusses
Firma
ArcelorMittal GmbH
Baltic Taucherei- & Bergungsbetrieb Rostock GmbH
EnBW Energie Baden-Würtemberg AG
EWM AG
hpulcas GmbH
Ingenieurberatung Bröggelhoff GmbH
Kjellberg Finsterwalde: Elektroden und Zusatzwerkstoffe
GmbH
Kjellberg Finsterwalde: Schweisstechnik und Verschleissschutzsysteme
GmbH
KWE Ingenieurbüro
OSCAR PLT GmbH
Subsea Global Solutions
Tauchmayer GmbH
Unterwasserkrause - Mutzeck GmbH
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik
SLV Hannover
Bereich
Hersteller von Stahl
Bautaucherei
Offshore Windenergie
Hersteller von Schweißdraht (Vertrieb) und
Schweißanlagen
Hersteller von Blech und Draht
Ingenieurbüro Stahlwasserbau
Hersteller von Schweißzusätzen
Hersteller von Schweißanlagen
Ingenieurbüro Stahlwasserbau
Schweißzusatzhersteller
Bautaucherei
Bautaucherei
Bautaucherei
Schweißtechnische Lehr & Versuchsanstalt
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22900N

Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung....................................................................................................................................3
Danksagung..............................................................................................................................................5
Inhaltsverzeichnis.....................................................................................................................................6
Abbildungsverzeichnis..............................................................................................................................7
Tabellenverzeichnis.................................................................................................................................11
Abkürzungsverzeichnis............................................................................................................................12
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung………………………………………………….13
1.1 Stand der Forschung und Entwicklung………………………………………………………………………………………13
1.2 Arbeitshypothese…………………………………………………………………………………………………………………..…17
2 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse…………………………………………………………………………………………19
2.1 Methodischer Ansatz ....................................................................................................................19
2.2 Arbeitspaket 1: Werkstoffaufbereitung und Laborversuchsaufbau zum UWUP-Schweißen……………………………………………………………………………………………………….……................................21
2.3 Arbeitspaket 2: Erstellung eines DoE zur Bestimmung der Schweißparameter............................31
2.4 Arbeitspaket 3: Erprobung des UW-Schweißprozesses mit Pulverabdeckungen
bei geringer Wassertiefe………........................................................................................................34
2.5 Arbeitspaket 4: Untersuchung der Schweißnahtgeometrie …………...............................................44
2.6 Arbeitspaket 5: Chemische Zusammensetzung der Schweißnaht.................................................48
2.7 Arbeitspaket 6: Diffusibler Wasserstoffgehalt im Schweißgut......................................................50
2.8 Arbeitspaket 7: Mechanische Eigenschaften der Schweißnaht und Gefügestruktur …………………54
2.9 Arbeitspaket 8: Analyse der experimentellen Daten und Bestimmung der optimalen
Zusammensetzung der fließfähigen und förderbaren Pulverabdeckung
für UW-Schweißen mit geringer Wassertiefe …………….……………………………..……………………………..59
2.10 Arbeitspaket 9: Untersuchung der thermozyklischen Eigenschaften des UW-Schweißens
mit fließ-fähigen Pulverabdeckung……………………………………………………………………………………………63
2.11 Arbeitspaket 10: Studien zur Anwendbarkeit und Tiefenabhängigkeit
des UWUP-Schweißens……………………………………………………………………………………………………………..65
2.12 Arbeitspaket 11: Erprobung an praxisrelevanten Anwendungsfällen
UWUP-Schweißen durch Taucher im Versuchsbecken (Bereich des IW)……...………………..………….69
2.13 Arbeitspaket 12: Dokumentation, Berichterstattung
und konzeptionelle Technologiebetrachtung ……………………………………………………………....………….72
3 Verwendung der Zuwendung………………………………………………………………………………………………………….74
4 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit……………………………………………………………75
5 Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsvorhabens für kleine und mittlere Unternehmen………....76
6 Wissenstransfer in die Wirtschaft……………………………………………………………………………………………………77
7 Durchgeführte Transfermaßnahmen………………………………………………………………………………………………78
8 Literaturverzeichnis………………………………………………………………………………………………………………………..79
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22900N

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Bau und Wartung von Plattformen für die Öl-, Gas- und Erzgewinnung auf dem Meeresboden, das Heben und
Reparieren von Schiffen, Rettungsarbeiten, Wiederherstellung von Unterwasserpipelines, Routine- und
Reparaturarbeiten an den Unterwasserstrukturen der Offshore-Windenergieanlagen (OWEA), die Reparatur
von Hafenanlagen und Brücken - all dies sind Beispiele, bei denen heute das Unterwasserschweißen als
Reparaturmaßnahme eingesetzt werden kann [34, 35, 38, 50, 53].
Das nasse Unterwasserschweißen mit Stabelektroden ist derzeit das meistgenutzte Verfahren für die
Industrie zur Reparatur und Sanierung von Stahlkonstruktionen im Unterwasserbereich (UW-Bereich). Der
Prozess ist deshalb im Fokus vieler Forschungsarbeiten mit dem Ziel nicht nur wirtschaftliche, sondern auch
qualitative Verbesserungen zu erzielen [43]. Die Bewertung des Potenzials und der Perspektiven für die
Entwicklung der Schweißtechnik moderner, niedriglegierter Stähle mit erhöhter Festigkeit zeigt, dass
Fortschritte des nassen Unterwasserschweißverfahrens im Wesentlichen durch die Kontrolle der Struktur
und der Eigenschaften des Schweißgutes erreicht werden, um die gewünschten Eigenschaften der
Schweißverbindung sicherzustellen [40].
Zurzeit gibt es keine vergleichbare oder marktreife Alternative zum nassen Lichtbogenhandschweißen mit
Stabelektrode für den UW-Bereich auf dem mitteleuropäischen Markt. Auch außerhalb von Deutschland wird
daher nahezu ausschließlich auf Stabelektroden zugegriffen, wenn nass geschweißt wird. Da mit einer
Stabelektrode ca. 10 cm Schweißnahtlänge erzeugt werden kann, ist das Verfahren für lange Nähte aus
wirtschaftlicher Sicht nicht optimal geeignet. Nicht nur die große Anzahl an Ansatzstellen, sondern auch die
Menge an Elektroden und die benötigten Rüstzeiten sind aus ökonomischer und arbeitstechnischer Sicht
unvorteilhaft. Darüber hinaus sind die Stabelektroden zum nassen Schweißen unter Wasser nur für das
Schweißen von kohlenstoffarmen und einigen niedriglegierten Stählen mit einem maximalen
Kohlenstoffäquivalent (CEV): CEV = C + Mn / 6 + (Ni + Cu) / 15 + (Cr + Mo + V) / 5, von 0,4 % vorgesehen [41].
Beim Schweißen von Stählen mit höheren CEV bilden sich aufgrund der hohen Abkühlraten in der
Wärmeeinflusszone (WEZ) zwangsläufig harte, martensitisch/bainitische Strukturen und in der Folge dieser
behinderten Spannungen entstehen Kaltrisse [32, 34, 35, 40, 43].
Ein kontinuierliches Schweißverfahren, kombiniert mit einer geringeren Abkühlrate im Schweißnahtbereich,
wird zusätzlich zur Minimierung der Ansatzstellen führen, welche als potenzielle Ausgangspunkte von
Kaltrissen gelten. Zudem reduzieren weniger Ansatzstellen den manuellen Arbeitsaufwand bei der
Nacharbeit und damit erheblich die Kosten. Die Erforschung und Entwicklung eines drahtbasierten,
kontinuierlichen Schweißverfahrens mit der Möglichkeit, die Abkühlgeschwindigkeit im Schweißgut und der
WEZ zu verringern, ermöglicht einen entscheidenden Fortschritt hinsichtlich der Produktionstechnik und der
Verfahrenstechnik sowie die Übertragung in die sichere, technische Anwendung der UW-Schweißtechnologie
mit Massivdraht.
1.1 Stand der Forschung und Entwicklung
Offshore-Plattformen, Pipelines, Schiffe, Schwimmdocks, Hafenanlagen und Spundwandkonstruktionen sind
besonders im Unterwasserbereich wartungsintensive Strukturen. Die Globalisierung der Handelsströme
führt zu einem stetigen Anstieg des Seeverkehrs, dem Bau neuer und der Erweiterung bestehender Häfen.
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22900N

Der zuverlässige Betrieb von UW-Anlagen hängt dabei in hohem Maße auch von den Möglichkeiten einer
sofortigen und qualitativ hochwertigen Reparatur im Schadensfall ab [35, 53]. Unter atmosphärischen Bedingungen
erfolgt die Wiederherstellung der Funktionsfähigkeit von Metallstrukturen sehr erfolgreich durch
Metall-Schutzgasschweißen (MSG-Schweißen), Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen) oder das
Lichtbogenhandschweißen [44, 61].
Seit den 1960er Jahren werden schweißtechnische Reparaturmöglichkeiten unter Wasser erforscht. Ab 1970
erfolgten vermehrt Schweißversuche im Bereich des nassen Lichtbogenhandschweißens mit Stabelektroden
[55]. Aus Gründen der Komplexität und hohen Kosten von Schweißarbeiten unter atmosphärischen, trockenen
Habitat-Bedingungen folgt, dass bei Reparaturen oftmals das nasse Lichtbogen-Handschweißen mit Stabelektroden
durch Taucher Anwendung findet. Nur bei großen Wassertiefen (WT > 100 m) sowie höchsten
Qualitätsanforderungen erscheint derzeit die Einrichtung eines Habitats zum trockenen Schweißen sinnvoll
[17, 46]. Durch den direkten Kontakt von Lichtbogen und Wasser in der nassen Umgebung ergeben sich folgende
Problemstellungen beim Fügen von Kohlenstoff-Stählen:
Abbildung 1:
Schweiß-ZTU Schaubild zur Illustration des Einflusses der Abkühlgeschwindigkeit auf das resultierende,
eigenschaftsbestimmende Gefüge für Fe-Basiswerkstoffe am Beispiel des Spundwandstahls
S355GP [29]
• Bedingt durch die ca. 25-fach höhere Wärmeleitfähigkeit und die fast 3500-fach größere, auf das
Volumen bezogene spezifische Wärmekapazität des Wassers gegenüber Luft, ergibt sich eine über
100-mal größere Wärmeübergangszahl und somit eine bis zu 15-mal schnellere Abkühlung der
Schweißnaht [1, 48]. Dies führt zu einer beschleunigten Abkühlung von 800 °C auf 500 °C (t8/5 Zeit)
und dadurch zu sehr hohen Härtewerten, speziell in der umgewandelten WEZ (s. Abbildung. 1).
• Unter Wasser besteht die Lichtbogenatmosphäre zu über 70 % aus Wasserstoff, womit sich ein erhöhtes
Risiko für Wasserstoffversprödung ergibt [35, 48, 62]. Der atomare Wasserstoff diffundiert in
die Schweißnaht und die WEZ. Damit steigt das Kaltrissrisiko bei vorliegenden Umwandlungs- und
Schrumpfungsspannungen.
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22900N

• Der durch die Dissoziation des Wassers vorliegende Sauerstoffanteil in der Gas-Dampf-Blase begünstigt
die Oxidation von Legierungselementen [49]. Die Gehalte von Mn und Si sinken dadurch beim
UW-Schweißen ab [39, 47]. Der Effekt verstärkt sich mit steigender Wassertiefe [11, 28, 35, 46].
Die Verlängerung der t8/5-Zeit kann beim nassen UW-Schweißen durch die Bildung einer wärmedämmenden
Schlacke auf der Schweißnaht erreicht werden. Dies bringt eine Verbesserung gegenüber Schweißungen mit
reinem Schutzgas und ohne Schlacke [11, 58], reicht aber zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften
unter Wasser gefügter Schweißnähte noch nicht aus. Derzeit zur Anwendung kommende Stabelektroden
werden zusätzlich meist als Fallnahtelektrode verschweißt und sollen schlackearm sein, um einen Schlackevorlauf
beim Schweißen und damit Schweißfehler zu verhindern. Defekte wie Risse, Porosität und aufgehärtete
Mikrostrukturen in Schweißgut (SG) und WEZ, verursacht durch Phasenumwandlungen und diffusiblen
Wasserstoff können derzeit noch nicht vermieden werden [5, 35, 47]. Der Wasserstoffgehalt im Schweißgut
beträgt bei der Verwendung von Fülldraht zum nassen UW-Schweißen ca. 26 - 44 ml/100 g SG und ist damit
viel höher als beim Schweißen unter atmosphärische Bedingungen [52].
Diese erhebliche Menge an Wasserstoff im Schweißgut fördert zusätzlich die Porosität. Die Summe dieser
Faktoren führt zu einer Verringerung der Festigkeit und Zähigkeit nass geschweißter Verbindungen [45]. Darüber
hinaus beeinflusst das umgebende Wasser die komplexen Auswirkungen von Blasen, Tröpfchen, Lichtbogen
und Schmelze. Es besteht eine starke Tiefenabhängigkeit, was ebenso zur Qualitätsminderung der
Schweißnähte führt [30].
Einige Verbesserungen konnten durch den Einsatz der Ultraschallwellen und damit verbundenen Stabilisierung
der Blasenbildung beim UW-Schweißen [51, 59, 60] erreicht werden. Dies ist derzeit aber noch nicht für
den manuellen Einsatz geeignet. Ein anderer Ansatz zeigt, dass die Induktionstechnologie zur Reduzierung
der Abkühlrate beim nassen UW-Schweißen und zur Beeinflussung der Mikrostruktur der Schweißnaht genutzt
werden kann [6, 20]. In einer Studie [18], zum nassen E-Handschweißen, wurde die Beeinflussung der
Härte in der WEZ hochfester Stahlschweißnähte durch Temper-Bead-Welding (TBW) untersucht. Damit
konnte nicht nur die Korngröße und die Rissneigung in der WEZ verringert, sondern auch die Plastizität erhöht
werden [54]. Eine Kombination aus spanender Bearbeitung und hochfrequentem Hämmern unter Wasser
führt zur Erhöhung der Dauerfestigkeit von UW-Schweißverbindungen [19]. Sowohl Induktion, Temper-Bead
oder das hochfrequente Hämmern stellen für kurze Schweißnahtabschnitte beim Stabelektrodenschweißen
immer diskontinuierliche Prozesse mit großem zeitlichen und apparativen Aufwand und Kosten dar.
Die Erforschung zur Verringerung der t8/5-Zeit ist sehr erfolgsversprechend, wobei die Isolation der Oberfläche
des Grundmetalls neben der Schweißnaht die Abkühlgeschwindigkeit aber nur marginal beeinflusst [56],
sodass eine Verbesserung der Isolation der Schweißnahtoberfläche direkt zielführender erscheint. Versuche
zur Reduzierung der t8/5-Zeit durch das Aufbringen einer dicken Schweißpulverbeschichtung auf den
Schweißnahtbereich, wurden unter Laborbedingungen unter Verwendung von Massivdrähten [24] und Fülldrähten
[25] durchgeführt. Bei Verwendung eines Massivdrahtes (Ø 2,4 mm) und eines mit Wasserglas vermischten
Schweißpulvers, welches einen großen Abschirm- und Wärmespeichereffekt bewirkt, wurde die
Abkühlrate des unter Wasser geschweißten Werkstücks signifikant reduziert [24]. Das SG erreichte eine Zugfestigkeit
von 82% des Grundmetalls SM41 (vgl. mit S235J2). In diesem Fall betrug die durchschnittliche Härte
des unter Wasser erzeugten Schweißgutes nur ca. 160 HV, während die Härte des Grundmetalls in der WEZ
auf ca. 220 HV ansteigt. In der Schweißverbindung wurde keine signifikante Aufhärtung gegenüber vergleichbaren
Schweißungen an Atmosphäre beobachtet, was qualitativ mit dem Ergebnis der Messung der Abkühlrate
übereinstimmt. Die Abkühlrate im t8/5-Intervall betrug unter Wasser ca. 25 °C/s und ist somit geringer
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22900N