Deep Rolled Welds: Erhöhte Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen in der Windenergie durch Festwalzen

Mit der im Jahr 2017 beschlossenen Novelle des Erneuerbaren Energien Gesetzes (EEG) für den Ausbau erneuerbarer Energien ist durch die Bundesregierung das Ziel ausgegeben worden, bis zum Jahr 2025 den Anteil des durch erneuerbare Energien erzeugten Stroms in Deutschland auf bis zu 45% zu steigern. Bis zum Jahr 2035 soll dieser Anteil auf ca. 55-60 % und bis zum Jahr 2050 auf mindestens 80 % anwachsen. Onshore- und Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) sind im EEG-Ausbaupfad als tragende Säule definiert und leisten einen unverzichtbaren Beitrag. Ein wesentliches Einsparpotenzial liegt in der Optimierung der Bemessungs-, Fertigungs- und Instal-lationsverfahren der OWEA-Gründungsstrukturen, welche einen Anteil von ca. einem Drittel der gesamten Kosten eines Offshore-Windparks ausmachen. Die OWEA-Tragstrukturen werden kontinuierlich durch Wind-, Wellen- und Betriebslasten dynamisch beansprucht. Dabei sind die Schweißverbindungen als maßgebendes Konstruktionsdetail zu sehen. Deren Ermüdung spielt eine entscheidende Rolle für die Lebensdauer der Struktur.

In diesem Kooperationsprojekt zwischen den Industriezweigen Stahl- und Maschinenbau wird der im Maschinenbau bereits etablierte Festwalzprozess an Stumpfnahtverbindungen dicker Bleche untersucht. Ziel des Projekts ist es, den Festwalzprozess für die Anwendung auf Stumpfnahtverbindungen zu qualifizieren. Im Fokus der Untersuchungen stehen die initialen inhomogenen Eigenspannungszustände der Schweißverbindungen und deren Veränderung durch den Festwalzprozess. Die initialen und durch den Festwalzprozess erzeugten Eigenspannungszustände werden mittels Röntgendiffraktometrie (winkel- und energiedispersiv) sowie der DMS-Bohrlochmethode bestimmt. Darüber hinaus wird der Einfluss des Festwalzens auf den Ermüdungsrissfortschritt quantifiziert. Kern des Projekts ist daher die in situ Untersuchung der Eigenspannungszustände während eines quasistatischen Rissfortschritts innerhalb eines Röntgendiffraktometers. Die erzeugten Erkenntnisse werden anschließend auf das Verhalten der Eigenspannungszustände während dynamischer Schwingprüfungen übertragen. Mit der Kenntnis über den Einfluss des Festwalzens auf den Ermüdungsrissfortschritt der Stumpfnahtverbindungen kann deren Lebensdauer gezielt gesteigert werden. Dies ermöglicht die Optimierung der OWEA-Gründungsstrukturen hin zu leichterer Bauweise bei gleichsam optimierter Ermüdungsfestigkeit.