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Neuartige mechanische Bearbeitung von Schweißverbindungen in der Windenergie: Festwalzen steigert Lebensdauer

Neuartige mechanische Bearbeitung von Schweißverbindungen in der Windenergie: Festwalzen steigert Lebensdauer

© Steffen Heikebrügge
Experimentelle Anwendung und numerische Abbildung des Festwalzprozesses an Schweißverbindungen

Im abgeschlossenen AiF-IGF Forschungsprojekt Deep Rolled Welds beschäftigten sich Wissenschaftler vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) und dem Institut für Stahlbau (IfS) der Leibniz Universität Hannover mit der Lebensdauersteigerung von Unterpulverschweißverbindungen durch den Festwalzprozess. Gemeinsam mit Unternehmen aus den Bereichen Fertigungstechnik, Messtechnik und dem Stahlbau konnte durch eine geeignete Prozessauslegung eine signifikante Lebensdauersteigerung geprüfter Verbindungen erreicht werden.

Für das Erreichen der energiepolitischen Ziele von 15 GW Stromleistung aus Offshore-Windenergie bis 2030 sowie für die Aufrechterhaltung der nationalen Windenergieindustrie sind neue Erkenntnisse und technische Innovationen für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) zwingend erforderlich. Ein wesentliches Einsparpotenzial liegt in der Optimierung der Bemessungs-, Fertigungs- und Installationsverfahren der OWEA-Gründungsstrukturen. Größtenteils werden die Tragstrukturen, die alle Teile des Tragwerks unterhalb der Gondel umfassen, überwiegend aus geschweißten Stahlsegmenten gefertigt. Zur Realisierung der energiepolitischen Ziele sind etwa 3000 Anlagen mit einer Stahltonnage von jeweils etwa 1500 t notwendig. Überschlägig bedeutet dies etwa 4,5 Mio. Tonnen Stahlkonstruktion in diesem Windenergiebereich. Eine mögliche Nachbehandlung mit einem innovativen, prozesssicheren Verfahren bietet die Möglichkeit, diese Menge deutlich zu reduzieren und die Bauweise der Monopiles wirtschaftlicher zu gestalten. Außerdem würde eine Reduktion der Stahltonnage direkt zu einer Reduktion des Energieverbrauchs bzw. des CO2-Ausstoßes in der Herstellung der Grobbleche führen.

Die OWEA-Tragstrukturen werden kontinuierlich durch Wind-, Wellen- und Betriebslasten dynamisch beansprucht. Dabei sind die Schweißverbindungen als maßgebendes Konstruktionsdetail zu sehen, deren Ermüdung eine entscheidende Rolle für die Lebensdauer der Struktur spielt. Insbesondere die Schweißnahtübergänge sind kritisch, da hier Ermüdungsrisse aufgrund einer örtlichen Spannungskonzentration entstehen können. Zusätzlich zu den Effekten einer geometrischen Kerbe im Nahtübergang wird die Spannungskonzentrationen durch Mikrorisse begünstigt. Diese entstehen während der Abkühlungsphase des Schweißprozesses und haben eine Tiefe von wenigen zehntel Millimetern. Unter wiederholter dynamischer Beanspruchung wachsen die Mikrorisse zusammen und bilden größere Risse, die sich im Werkstoff ausbreiten.

Um diesen Rissen entgegenzuwirken, sind im Stahlbau mechanische Bearbeitungsverfahren wie das Hämmern, das Nadeln oder das Kugelstrahlen etabliert. Diese Verfahren erzeugen eine Verfestigung der Oberfläche und bringen günstige Druckeigenspannungszustände ein, die den von außen wirkenden Wind-, Wellen- und Betriebsbeanspruchungen entgegenwirken. Diese Verfahren werden hauptsächlich manuell durchgeführt, was einen gleichbleibenden Standard sowie die Reproduzierbarkeit der Nachbehandlung erschwert. Aus diesen Gründen sind sie für die Nachbehandlung der Schweißnähte von OWEA-Tragstrukturen unwirtschaftlich, hinsichtlich der Qualitätskontrolle herausfordernd und werden in der Praxis nicht angewendet.

Im Vergleich zu diesen Verfahren bietet der im Maschinenbau etablierte Festwalzprozess eine hohe Automatisierbarkeit. Das Verfahren kann in konventionellen sowie in CNC-Werkzeugmaschinen oder an Robotern installiert werden. Dies erlaubt schnelle und kontrollierbare Nachbehandlungsprozesse, welche sich in die Fertigungskette einer OWEA-Tragstruktur integrieren lassen. Obwohl dieses Verfahren ein breites Anwendungsspektrum im Maschinenbau hat, war es bislang noch nicht für die Nachbehandlung von Schweißverbindungen aus Baustahl qualifiziert. Dies ist den Wissenschaftlern des IFW und des IfS nun gelungen.

Steffen Heikebrügge, wissenschaftlicher Mitarbeiter des IFW:
„Durch detaillierte experimentelle und numerische Untersuchungen unterschiedlicher Werkzeuge und zugehöriger Prozessstellgrößen konnten wir herausfinden, welche Kombinationen für die Bearbeitung der untersuchten Schweißverbindungen geeignet sind. Mit der richtigen Auswahl konnte die Ermüdungsfestigkeit der bearbeiteten Schweißverbindungen um mehr als 100 % gesteigert werden!“

Die Ergebnisse des Vorhabens werden aktuell in die Praxis transferiert. Eine prototypische Umsetzung in die Fertigungskette zur Herstellung von OWEA-Gründungsstrukturen wird diskutiert.

In einem ebenfalls im Rahmen der AiF-IGF geförderten Folgevorhaben wird der Einfluss des für Schweißverbindungen neuartigen Bearbeitungsverfahrens Festwalzen auf weitere, höherfeste Baustähle übertragen. Eine Validierung der bislang gesammelten Erkenntnisse erfolgt an geschweißten Proben mit in der Tragstrukturfertigung gängigen Blechdicken von bis zu 60 mm.

Sollten die Ergebnisse des Vorhabens Ihr Interesse geweckt haben oder wollen Sie mehr Informationen über das Vorgehen des aktuellen Vorhabens erfahren, können Sie gerne Kontakt aufnehmen. Hierfür genügt an die folgende Adresse eine einfache E-Mail: heikebruegge@ifw.uni-hannover.de