Schweißnähte gehören zu den besonders belasteten Bereichen von Offshore-Windenergieanlagen. Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) haben nun gezeigt, dass spezielle Schweißzusätze ihre Ermüdungsfestigkeit deutlich erhöhen können. In Untersuchungen an hochfesten Stahlbauteilen stieg sie je nach Ausführung und Nahtgeometrie um 50 bis 140 Prozent gegenüber konventionellen Schweißungen.
Offshore-Windanlagen bestehen aus zahlreichen verschweißten Einzelteilen und sind extremen Belastungen durch Wind und Wellen ausgesetzt. Diese führen zu zyklischen Beanspruchungen, die besonders die Schweißnähte betreffen. Bislang galten sie gerade bei hochfesten Stählen als kritischer Faktor, da ausgerechnet der Schweißprozess das Werkstoffgefüge verändert und schädliche Zugeigenspannungen erzeugt. Aus Sicherheitsgründen dürfen entsprechende Regelwerke das Leichtbaupotenzial dieser Stähle bislang nur eingeschränkt ausschöpfen.
Im Rahmen eines von der BAM koordinierten Kooperationsprojekts wurden daher neuartige Schweißzusätze untersucht, sogenannte Low Transformation Temperature Zusatzwerkstoffe (LTT). Diese speziellen Legierungen verändern das Gefüge der Schweißnaht beim Abkühlen so, dass Zugeigenspannungen deutlich reduziert werden. In einigen Fällen entstehen sogar günstige Druckeigenspannungen, die der Bildung von Ermüdungsrissen entgegenwirken.
Untersucht wurden typische hochfeste Stahlbauteile mit zusätzlicher struktureller Verstärkung, wie sie in Türmen und Tragstrukturen von Windenergieanlagen eingesetzt werden. Diese Bauteile zählen zu den am stärksten beanspruchten Komponenten solcher Anlagen. Je nach Ausführung und Nahtgeometrie konnte die Ermüdungsfestigkeit um 50 bis 140 Prozent gegenüber konventionellen Schweißungen gesteigert werden. Besonders wirkungsvoll erwies sich eine zusätzliche, gezielt platzierte LTT-Schweißlage im hochbelasteten Nahtbereich.
„Gerade bei Offshore-Windenergieanlagen entscheidet die Ermüdungsfestigkeit der Schweißnähte maßgeblich über die Lebensdauer“, erklärt Martin Hübner, Autor der Studie aus dem Kompetenzzentrum Wind@BAM. „Unsere Ergebnisse zeigen ein Potential für die sichere Realisierung von höheren Lasten und größeren Anlagen – ohne zeit- und kostenintensive Nachbehandlungsverfahren.“
Ein wesentlicher Vorteil des Konzepts ist, dass die gewünschte Wirkung direkt beim Schweißen entsteht. Zusätzliche Arbeitsschritte entfallen, was den Einsatz für die Industrie besonders attraktiv macht. Perspektivisch eröffnet der gezielte Einsatz von LTT-Zusatzwerkstoffen zudem Möglichkeiten zur Reparatur und Ertüchtigung bestehender Schweißnähte.
Die Ergebnisse werden derzeit in Fachgremien und Ausschüssen diskutiert, um Perspektiven für die Übertragung in Regelwerke auszuloten. Relevant sind die Ergebnisse nicht nur für den Bau von Windenergieanlagen, sondern auch für den Maschinen , Stahl und Fahrzeugbau sowie für die großen Spezialkräne, die für die Errichtung künftiger Anlagen benötigt werden.
Das Projekt wurde gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) und der Forschungsvereinigung des Deutschen Verbands für Schweißen und verwandte Verfahren (DVS) durchgeführt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) gefördert.
Text: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)