A248

Leistungssteigerung des Elektrogasschweißens von höherfesten Schiffbaustählen zum Einsatz bei Normal- und Tieftemperaturen

(A248 S 24/10143/2007)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2008 - 30. Juni 2010

Im Schiffbau werden hinsichtlich der Schweißtechnik sowohl fertigungs- und kostengünstige, als auch beanspruchungsgerechte Strukturen gefordert. So sind seit den 80-er Jahren immer leis-tungsfähigere Schweißprozesse, vor allem in der Vormontage, entwickelt worden. Es ist ein Trend zum Einsatz höherfester Stähle zu verzeichnen. Durch stetig steigende Anforderungen an die Schiffstypen, wie z. B. die Ausführung immer größerer Containerschiffe oder der Einsatz in arktischen Regionen, werden sowohl sichere Schweißverfahren als auch belastbare Aussagen für die Auslegung benötigt, um Rissschäden im Betrieb zu vermeiden.

Der Einsatz des leistungsfähigen Elektrogas-Hochleistungsschweißen für normalfeste Schiff-baustähle würde bei höherfesten Stählen jedoch ohne weitere Maßnahmen u.a. zu einer Fes-tigkeits- und Zähigkeitsreduzierung in der Wärmeeinflußzone infolge hoher Streckenenergieein-träge und Grobkornbildung führen. Durch diese und weitere Gründe wurde die Nutzung des Verfahrens im deutschen Schiffbau für den avisierten Anwendungsfall bisher nicht realisiert.

Ausgehend vom Gesamtziel des Vorhaben, der Produktivitätssteigerung beim Schweißen von schiffbaulichen Endmontagestößen aus höherfesten Schiffbaustählen in der Zwangslage stei-gend mittels Elektrogasschweißen, erfolgten systematisch technologische Untersuchungen und Betriebsfestigkeitsuntersuchungen, um eine Leistungssteigerung des Verfahrens zu erreichen.

Dabei zeigten Untersuchungen zur Bestimmung der relevanten Schweißverbindungen und der werftseitigen Bedingungen für das Schweißen der Montagestöße der Außenhaut, dass die An-wendung des Elektrogasschweißverfahrens bei langen Sektionsstößen in der steigenden Posi-tion im Schiffbau eingesetzt werden kann.

Durch die Ermittlung der schweißtechnologischen Basisparameter an geeigneten Proben-geometrien stellte sich heraus, dass die mechanisch technologischen Eigenschaften, wie Härte und Festigkeit, der Elektrogasschweißungen den Richtlinien des Germanischen Lloyd erfüllen. Durch die hohen Streckenenergien konnten die Zähigkeiten zunächst nur zum Teil eingehalten werden.

Um eine Zähigkeitssteigerung zu erreichen, wurden Optimierungsuntersuchungen mittels Schweißzusatzwerkstoffkombinationen durchgeführt. Die Kerbschlagzähigkeit erhöhte sich nach der Optimierung auf mindestens 50 J als Minimum im kritischen Bereich der Schmelzlinie und erfüllt somit die Anforderungen des GL. Des Weiteren sind Elektrogasschweißungen mit nur einem Kupfergleitschuh und einer Keramikbadsicherung als Wurzelschutz gefügt worden. Der Vorteil liegt in der nur einseitigen Zugänglichkeit an einem Sektionsstoß. Die Kerbschlagzähigkeit wird dadurch nicht herabgesetzt und liegt mit 50 J (Schmelzlinie) bei einer Blechdicke von s=13 mm und 160 J (Schmelzlinie) über den geforderten 34 J des GL. Die Härteverläufe und die Festigkeiten halten die Richtlinien des Germanischen Lloyd ein. Weitere Elektrogasschweißungen mit einem breiteren Luftspalt von b=10 mm zeigten keine Verschlechterung der mechanisch-technologischen Gütewerte durch die höhere Energieeinbringung durch das größere Schweißnahtvolumen. Eine Schutzgasvariation von 100 % CO2, 18% CO2 und Rest Argon (Corgon18) und Gemischen aus CO2, Helium und Argon erbrachten keine Zähigkeitssteigerung. Aber eine Stabilisierung des Lichtbogens durch das Helium war zu erkennen. Des Weiteren sind von der TU Hamburg-Harburg Schwingfestigkeitsuntersuchungen durchgeführt worden. Dabei haben Elektrogas-Schweißproben in den Blechstärken s=13 mm und s=30 mm mit dem Zu-satzwerkstoff der Firma KOBELCO (DW-S43G) die FAT80-Klassen erreichen können.

Weitere Verbesserungen an den Kerbschlagarbeiten konnten durch Modifikation des Verfahrens zur weiteren Absenkung der Streckenenergien erreicht werden. Dabei ließen sich durch Einsatz der Impulslichtbogentechnik und Verringerung des Drahtelektrodendurchmessers Verbesserungen in der Streckenergie bis zu 46% gegenüber den konventionell geschweißten Elektrogasreferenzproben erreichen. Die Streckenenergien liegen damit nur ca. 2-3 mal so hoch wie bei MAG-Mehrlagenschweißungen, wie sie typischerweise für diese Aufgabe eingesetzt werden. Die von den Klassifikationsgesellschaften geforderten Kerbschlagarbeiten lassen sich bei Schiffbaustählen geeigneter chemischer Zusammensetzung sicher erreichen.

Der technische Vergleich und die Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen lieferten die Erkenntnis, dass durch die erheblich größere Abschmelzleistung des Elektrogas-Verfahrens gegenüber dem teilmechanisierten MAG-Prozesses die reine Schweißzeit für einen Sektionsstoß um das 6- bis 7- fache geringer ist. Bei einer möglichst hohen Auslastung des Elektrogas-Verfahrens entfaltet sich eine hohe Wirtschaftlichkeit.

Forschungsstelle 1:
Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Uni Rostock - Lehrstuhl Fertigungstechnik (IfF)
www.hro.ipa.fraunhofer.de/fhg/agp_iff
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. M.-C. Wanner

Forschungsstelle 2:
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen
www.isf-aachen.de
 
Forschungsleiter 2:
Prof. Dr.-Ing. U. Reisgen

(vorgelegt vom Verbandf für Schiffbau und Meerestechnik e.V., Hamburg

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF