Induktionswärmetechnik zur Verbesserung der Schweißnahtqualität beim Unterwasser-Schweißen von Feinkornstählen

In dem Forschungsvorhaben wird die Einsatzmöglichkeit der Induktionstechnologie zur Vor- bzw. Nachwärmung beim nassen Lichtbogenhandschweißen untersucht. Durch den medialen Einfluss treten hohe Wasserstoffeinträge und aufgrund der starken Konvektion hohe Abkühlraten nach dem Schweißen auf. Infolge dessen können kritische Werkstoffeigenschaften sowie Risse resultieren. Die effektive Energieeinbringung mittels Induktion soll zur praxistauglichen Kompensierung unterwasserspezifischer Risiken beim nassen Schweißen genutzt und somit auch das sichere Fügen hochfester Stähle ermöglicht werden. Dies ist zur ökonomischen und qualitätsgerechten Reparatur von Strukturen im Stahlwasserbau erforderlich. Es werden Anwendungsrichtlinien zum Einsatz der Induktionswärmetechnik erarbeitet.

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Orts- und zeitdiskrete Darstellung des Wärmefeldes im Bauteil bei induktiver Erwärmung unter Wasser
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Erwärmung des Bauteil unter Wasser mittels Induktor mit Feldverstärker

Das Schweißen im Unterwasserbereich wird teilweise bereits bei der Errichtung sowie insbesondere zur Wiederherstellung der Integrität von Stahlwasserbauwerken erforderlich. Durch den medialen Einfluss wird die Schweißbarkeit jedoch stark eingeschränkt. Es treten sehr hohe Wasserstoffeinträge in der Schweißnaht und aufgrund der starken Konvektion erhöhte Abkühlraten nach dem Schweißen auf. Infolge dessen können kritische Werkstoffeigenschaften sowie Schweißnahtfehler, wie bspw. Risse, Poren und Bindefehler, resultieren. Die effektive Energieeinbringung mittels Induktion soll zur praxistauglichen Kompensierung der unterwasserspezifischen Risiken beim nassen Schweißen genutzt und somit auch das qualitätsgerechte und sichere Fügen hochfester Stähle ermöglicht werden. Feinkornbaustähle finden zunehmend Anwendung beim Anlagenbau im Offshorebereich sowie beim allgemeinen Stahlwasserbau im Binnen- und Seewasserbereich. Zur Modifikation und perspektivischen Reparatur dieser Strukturen bei Schädigungen infolge von Havarien und Alterungsdegradationen werden qualitätsgerechte Schweißungen erforderlich, welche derzeit nur unter hohem technischen und ökonomischen Aufwand realisierbar sind. In dem Forschungsvorhaben wird daher die Einsatzmöglichkeit der mittelfrequenten Induktionstechnologie als Energiequelle für schweißtechnische Erwärmung beim nassen Lichtbogenhandschweißen untersucht. Hierzu wird ein händisch führbarer Induktor mit Feldverstärker verwendet, welcher flexibel einsetzbar ist und eine hohe Tiefenerwärmung ermöglicht. Die Energieeinbringung wird zunächst durch zeit- und ortdiskrete Beschreibung der im Bauteil induzierten Wärmefelder umfangreich analysiert. Hierbei werden diverse Anwendungsparameter, Bauteilgeometrien und Randbedingungen experimentell variiert. Auf Basis dessen werden Erwärmungsprozeduren für schweißtechnische Anwendungen qualifiziert. Die Untersuchung des Einflusses der zusätzlichen Induktionserwärmung auf das Schweißresultat erfolgt an Unterwasserschweißungen an unterschiedlichen Stahlsorten. Die Schweißproben werden mittels vollmechanisiertem Lichtbogenhandschweißprozess in einer Überdruckkammer (IW) angefertigt. Durch Regelung des hydrostatischen Drucks kann somit die Wassertiefe experimentell simuliert werden. Die Induktionstechnologie wird zum einen als Energiequelle bei der Wärmeführung vor dem Schweißen eingesetzt. Mittels Vorwärmung der Bauteile wird das Ausgangsenergieniveau erhöht und somit die Metallurgie während des Schweißens beeinflusst sowie die Abkühlrate nach dem Schweißen reduziert. Weiterhin kann mittels speziell entwickeltem Induktor eine Energieeinbringung simultan zur Schweißung erfolgenden, sodass mittels aktiver Wärmeführung der gesamte Prozessenergieeintrag erhöht und die Abkühlrate reduziert werden. Zudem wird durch Energieeinbringung nach dem Schweißen eine wärmetechnische Behandlung durchgeführt. Zur Validierung erfolgen werkstoffliche Charakterisierung bzgl. der mikrostrukturellen Gefügeausprägung, des diffusiblen Wasserstoffgehaltes sowie des mechanisch-technologischen Verhaltens. Die Praxistauglichkeit wird zudem von Schweißtauchern (im Projektbegleitenden Ausschuss) beim manuellen Lichtbogenhandschweißen von Demonstratoren validiert. Aus den Untersuchungsergebnissen werden Anwendungsrichtlinien zum Einsatz der Induktionswärmetechnik beim nassen Unterwasserschweißen abgeleitet.

Förderhinweise

AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen | Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS

Das IGF-Vorhaben 20.199 BG „Induktionswärmetechnik als praxisrelevantes Vor- und Nachbehandlungsverfahren zur Verbesserung der Schweißnahtqualität beim Unterwasser-Schweißen von Feinkornstählen mit erhöhtem Kohlenstoffäquivalent“, der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS und wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Projektpartner

IW Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover