Die Schweißnähte in Offshore-Windkraftanlagen stehen unter enormem Druck. Um die Lebensdauer dieser Anlagen zu erhöhen, haben Forscher der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) neue Schweißzusätze entwickelt, die die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindungen signifikant verbessern können. In ihren Studien an hochfesten Stahlbauteilen stellten sie fest, dass die Ermüdungsfestigkeit je nach Schweißverfahren und Nahtgeometrie um beeindruckende 50 bis 140 Prozent gesteigert werden kann im Vergleich zu herkömmlichen Schweißmethoden.
Offshore-Windkraftanlagen bestehen aus einer Vielzahl von miteinander verschweißten Komponenten, die extremen Bedingungen wie ständigen Wind und Wellen ausgesetzt sind. Diese Umstände führen zu zyklischen Belastungen, die vor allem die Schweißnähte betreffen. Diese sind besonders kritisch, da der Schweißprozess das Gefüge des verwendeten Materials verändert und dabei unerwünschte Zugspannungen erzeugt. Diese Faktoren schränken das Potenzial der verwendeten hochfesten Stähle erheblich ein, was in der Vergangenheit dazu führte, dass geltende Sicherheitsvorschriften die Nutzung dieser Materialien limitierten.
Im Rahmen eines von der BAM geleiteten Kooperationsprojekts wurden die neuartigen Schweißzusätze, die als Low Transformation Temperature (LTT) Zusatzwerkstoffe bekannt sind, untersucht. Diese speziellen Legierungen sorgen dafür, dass das Gefüge der Schweißnaht beim Abkühlen so verändert wird, dass die schädlichen Zugspannungen deutlich verringert werden. In einigen Fällen können sogar vorteilhafte Druckspannungen entstehen, die der Bildung von Ermüdungsrissen entgegenwirken.
Die Forschung konzentrierte sich auf typische hochfeste Stahlbauteile, die mit zusätzlicher struktureller Verstärkung ausgestattet sind, wie sie in den Türmen und Tragstrukturen von Windenergieanlagen verwendet werden. Diese Bauteile sind die am stärksten beanspruchten Komponenten innerhalb der Anlagen. Die Ergebnisse zeigten, dass durch gezielte Platzierung einer LTT-Schweißlage im stark belasteten Bereich der Naht die Ermüdungsfestigkeit signifikant gesteigert werden kann.
Martin Hübner, einer der Autoren der Studie im Kompetenzzentrum Wind@BAM, betont die Bedeutung der Schweißnähte für die Lebensdauer von Offshore-Windenergieanlagen: „Die Ermüdungsfestigkeit der Schweißnähte ist entscheidend für die Lebensdauer der Anlagen. Unsere Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die sichere Umsetzung höherer Lasten und größerer Anlagen, ohne dass aufwendige Nachbehandlungsverfahren erforderlich sind.“
Ein herausragender Vorteil der neuen Schweißzusätze ist, dass die gewünschten Eigenschaften direkt während des Schweißvorgangs entstehen. Dies eliminiert zusätzliche Arbeitsschritte, was die Anwendung in der Industrie äußerst attraktiv macht. Zudem eröffnet der gezielte Einsatz von LTT-Zusatzwerkstoffen Perspektiven für die Reparatur und Verstärkung bestehender Schweißnähte.
Die Ergebnisse dieser Forschung werden derzeit in Fachgremien diskutiert, um Möglichkeiten für die Integration in bestehende Regelwerke zu erkunden. Die Relevanz dieser Erkenntnisse erstreckt sich über den Bau von Windenergieanlagen hinaus und betrifft auch andere Bereiche wie Maschinenbau, Stahlbau und Fahrzeugbau. Auch die großen Spezialkräne, die für die Errichtung zukünftiger Windkraftanlagen benötigt werden, profitieren von diesen Fortschritten.
Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik (IWM) und der Forschungsvereinigung des Deutschen Verbands für Schweißen und verwandte Verfahren (DVS) durchgeführt. Es wurde im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
Durch die Entwicklung und Anwendung dieser neuen Schweißzusätze wird ein bedeutender Schritt in Richtung einer nachhaltigen und langlebigen Energieerzeugung gesetzt, was nicht nur die Effizienz der Windkraftanlagen steigert, sondern auch die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für deren Bau und Betrieb verbessert.
