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Schweißen Wie Schweißzusätze die Lebensdauer von Offshore-Türmen verlängern

Quelle: BAM 2 min Lesedauer

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Bundesanstalt für Material- forschung und -prüfung (BAM)
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Schweißnähte gehören zu den besonders belasteten Bereichen von Offshore-Windenergieanlagen. Forschende der BAM haben nun gezeigt, dass spezielle Schweißzusätze ihre Ermüdungsfestigkeit um 50 bis 140 Prozent gegenüber konventionellen Schweißungen erhöhen können. 

Spezielle Legierungen, sogenannte Low Transformation Temperature Zusatzwerkstoffe (LTT), verändern das Gefüge der Schweißnaht beim Abkühlen so, dass Zugeigenspannungen deutlich reduziert werden. (Bild: BAM)
Spezielle Legierungen, sogenannte Low Transformation Temperature Zusatzwerkstoffe (LTT), verändern das Gefüge der Schweißnaht beim Abkühlen so, dass Zugeigenspannungen deutlich reduziert werden.
(Bild: BAM)

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.

Zugeigenspannungen deutlich reduzieren

Im Rahmen eines von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (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.

Gerade bei Offshore-Windenergieanlagen entscheidet die Ermüdungsfestigkeit der Schweißnähte maßgeblich über die Lebensdauer.

Martin Hübner, Autor der Studie aus dem Kompetenzzentrum Wind@BAM

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.“

Zusätzliche Arbeitsschritte können entfallen

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.

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