Standen bislang Schweißnähte einer kostensparenden Leichtbauweise von Offshore-Windenergieanlagen mit hochfestem Stahl entgegen? Eine neue Schweißnahtlegierung könnte dafür den Weg nun freigeben, wie Forscher der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) getestet haben.
In einem staatlich geförderten Kooperationsprojekt erarbeiteten die BAM-Tester mit Kolleginnen und Kollegen des Fraunhofer Werkstoffmechanikinstituts IWM ein Schweißverfahren, das Abhilfe verspricht. Die sogenannte Lebenszeit zusammengefügter Strukturen in der Windkraft verbessere sich deutlich. Unter den Laborverhältnissen der Belastungstests an Kleinproben habe sich die Tragfähigkeit mit der neuen Schweißverbindung „um den Faktor zwei“ erhöht – ohne Lebensdauer einzubüßen, sagt der BAM-Schweißtechnikexperte Arne Kromm. Unter echten Umweltbedingungen eines Offshore-Windparks dürften die neuen Schweißnähte so noch eine um bis zu 30 Prozent höhere Tragfähigkeit einbringen, gibt der Leiter des BAM-Fachbereichs Integrität von Schweißverbindungen, Thomas Kannengießer, als Pi-mal-Daumen-Wert an. Das Erfolgsrezept abgesehen von schweißtechnischen Verfahrensanpassungen beruht auf einem neuen Schweißzusatz. Die BAM-Entwickler setzten einen Chrom-Nickel-legierten Schweißdraht ein. Dieser wirkt einer Unart der Schweißverbindungen entgegen. Sie besteht darin, dass Schweißen die Endbereiche der Nahtstellen schwächt. Durch die Hitzeeinwirkung und durch das schnelle anschließende Abkühlen nach dem Schweißen sinkt die Ermüdungsfestigkeit der Fügebereiche unter den späteren Betriebslasten. Auch kann die Schweißnahtform mitentscheiden: Eine nicht optimal ausgebildete Naht verstärkt den Effekt, dass die Temperaturwechsel nämlich hohe lokale Spannungen erzeugen. Gibt es Formveränderungen wie zumindest in Gestalt eines Buckels der Schweißnaht selbst, kommt es zur sogenannten Kerbwirkung und der Abtrag von Lasten ist gestört. Die nicht optimale Naht stört den Kraftfluss und führt zu lokal hohen Spannungen, die die Lebensdauer herabsetzen. Viele Nacharbeiten sind somit bisher erforderlich, um die Verschlechterungen wieder einzufangen: Ein Abschleifen der Schweißbuckel und eine vollständige Wärmebehandlung der zusammengefügten Struktur sind dafür gängig.
Naht mit guter Druckspannung
Der neue Schweiß-Werkstoff soll die Nacharbeit erübrigen. Vor allem zählt dieser Vorteil: Während bisher Schweißnähte nach dem Abkühlen eine Zugspannung erzeugen, was unter Belastungen im Windparkbetrieb die Risssbildung beschleunigt, erzeugt das neue Schweißgut eine Druckspannung. Wo sich Risse unter den Biegelasten der Turbinen auftun könnten, wirkt die Schweißnaht dem sogar entgegen. „Das macht der Werkstoff durch seine metallurgische Eigenschaft“, sagt Kromm. Low Transformation Temperature (LTT) nennt sich das Verfahren. Weil der Werkstoff teurer ist als herkömmlicher Schweißdraht, empfehlen die BAM-Forscher ein „Hybridschweißen“: Wo Biegespannungen nicht auftreten, bleibe konventionelles Schweißen gut, an „kerbempfindlichen“ Fügestellen wie Flanschen wäre LTT besser. (TW)
