Effiziente Schweißtechnik mit MAG-Fülldrähten

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1 Effiziente Schweißtechnik mit MAG-Fülldrähten Dr.-Ing. Erturul ENGINDENIZ 1 Einleitung Da die Schweißtechnik neben Ihrer Notwendigkeit für metallverarbeitende Industrie auch auf die Wirtschaftlichkeit einen entscheidenden Einfluss ausübt, wird stets angestrebt, die Fertigung durch den Einsatz von modernen, leistungsorientierten Schweißverfahren ohne Qualitätseinbuße zu optimieren. Denn die kostengünstige Produktion ist die Basis für die Existenzpflege der Unternehmen und damit für die positive Entwicklung eines Industrielandes. Vor diesem Hintergrund wurde Ende der 60er Jahre die Entwicklung der für den industriellen Einsatz geeigneten Fülldrahtelektroden soweit vorangetrieben, dass sie in großen Mengen produziert werden konnten. Anfänglich wurden dem Schutzgasbereich in Bezug auf die Anwendung größere Chancen eingeräumt, obgleich dies aufgrund der noch nicht ausgereiften Herstellmethoden hinsichtlich der Drahtabmessung unverständlich klingt. Analog zur Stabelektrode hat man versucht, die unschlagbaren Vorteile der Schlacke auf das Schutzgasschweißen zu übertragen, was wiederum absolut verständlich erscheint. In der Tat hat die Fülldrahtelektrode auf dem Sektor des Schutzgasschweißens wegen der besseren Nahtqualität und der höheren Wirtschaftlichkeit die größten Erfolge zu verzeichnen. Im Vortrag werden diverse Applikationsbeispiele aus aktuellen Projekten angesprochen, die unter Einsatz von gasgeschützten Fülldrähten gefertigt werden. Die ausgewählten Applikationen sollen als Überblick für das Anwendungsspektrum dienen. Grundsätzlich sei erwähnt, dass durch die Anwendung der Fülldrahttechnik der Austausch aller Stabelektroden gegeben ist. Es umfasst die Massenbaustähle, die warmfesten und Stahlgusssorten bis hin zum hochfesten, vergüteten Feinkornbaustahl mit R p0, N/mm². 2 Fußballstadion FC Shaktar in Donetsk / Ukraine Im Juni 2006 erhielt die türkische ENKA-Gruppe den Auftrag, in Donetsk ein gemäß UEFA- und FIFA- Richtlinien 5-Sterne-Stadion zu bauen. Nachdem noch im selben Jahr im August mit Aushub der Fundamente begonnen wurde, konnte die Fertigstellung dieser großzügigen Anlage termingerecht, im August 2009, realisiert werden. Die Aufnahme in Bild 1 vermittelt eindrucksvoll die besondere Form der Dachkonstruktion, die vom Gesamtstahlgewicht von 4300t, etwa 3800t für sich in Anspruch nimmt. Bild 1: Fußballstadion FC Shakhtar in Donetsk / Ukraine

2 Die Idee der Architekten war ein harmonisches Dach ohne Stützen zu konstruieren. Dies wurde durch 60m weit gespannte Raumfachwerke realisiert, die auf genauso weit auskragenden, räumlichen Fachwerkträgern aufliegen. Wie in Bild 2 dargestellt, befinden sich somit die räumlichen Fachwerkträger und das Raumfachwerk in einer Ebene. Die Dachhöhe beträgt 54m. Die Arena fügt sich mit ihrem nach Süden abfallenden Dach in die Konturen des Leninsky-Parks. Dabei reduziert sich die Dachhöhe um ein Drittel, womit einer deutlich gesteigerten Sonneneinstrahlung für die Rasenfläche Rechnung getragen wird. Dies hat jedoch konstruktiv zur Folge, dass alle 12 Fachwerkträger unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Aus diesem Grund hat die Produktion der Teile, mit anschließender Montage-Logistik, einen ernorm hohen Aufwand verursacht. Die Dachsegmente sind so konzipiert, dass gewisse Bodenverschiebungen, bedingt durch den früheren Kohleabbau, kompensiert werden können. Im Stadion finden Fußballfreunde Platz, incl VIP-Gäste. Die Größe der Baustelle wird mit m 2 angegeben. Die bebaute Fläche einschließlich der Steigung beläuft sich auf m 2. Das Stadion kostet etwa 180Mio. [1]. Eine weitere Besonderheit dieses Stadions ist die imposante Glasfläche, die mit m 2 zu Buche schlägt. Die komplett umlaufende Glasfassade zum Teil mit durchsichtiger Dachkonstruktion, wird dem Stadion unter Flutlicht ein juwelenähnliches Aussehen verleihen. Es gilt als sicher, dass der Fußballverein FC Shakhtar, bis auf Weiteres, die modernste Arena Osteuropas besitzt, die als Austragungsort einer Halbfinalbegegnung, der Fußball-Europameisterschaft 2012, vorgesehen ist. Bild 2: Dachkonstruktion während der Montage, aufgenommen im Mai 2008 Neben der UP-Technik kam das MAGM-Schweißen ausschließlich mit Fülldrahtelektroden zum Einsatz. Enka/Cimtas hat in der Türkei die meiste Fülldrahterfahrung. Hier wird seit über 25 Jahren mit Fülldraht unter Schutzgas geschweißt. Zur Anwendung kamen 2 Typen mit Rutilschlacke (E 71 T1 und E 81 T1-Ni1) und ein Draht mit Metallpulverfüllung (E 70 C-6 M). Die Aufnahmen in Bild 3 belegen deutlich, wie intensiv die Schutzgas-Fülldrahttechnik dort forciert wird. Diese kommt sogar bei der Montage auf der Baustelle ebenfalls zur Anwendung. Weitere Schweißverfahren, die für die Fertigung der hier gezeigten Bauteile benutzt wurden, sind: - WIG-Schweißen - Bolzenschweißen - Laserschweißen - EH-Schweißen mit Stabelektroden Letzteres wurde in geringem Maße nur auf Baustellen eingesetzt. Die Fertigung der dünnwandigen Rohre für die Dachelemente am Stadion erfolgte mittels Laserschweißen. Bild 3: Mit Rutilfülldraht geschweißte Träger für Shakhtar Stadion

3 Bild 4: Verfahrensprüfung an einem 70mm dicken Blech aus P460 NL1 Bild 4 zeigt stellvertretend die Dokumentation der mit einem Metallpulver-Fülldraht durchgeführten Verfahrensprüfung am 70 mm dicken Blech der Sorte P460 NL1. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Anforderungen klar übertroffen werden. Ein entscheidender Vorteil der Metallpulvertypen gegenüber den schlackeführenden Fülldrahtelektroden ergibt sich in diesem Zusammenhang bei den Mehrlagenschweißungen, da hier die Zwischennahtreinigung entfällt. Die Grundlagenuntersuchungen haben gezeigt, dass die Metallpulver-Fülldrahtelektroden unter dem Schutzgas M 21 drei Lichtbogenbereiche Kurz - Misch- und Sprühlichtbogen aufweisen. Die erstaunlich geringe Spritzerbildung im Kurzlichtbogenbereich eröffnet dem Draht auch bei manuellem Einsatz universelle Anwendungsmöglichkeiten. Dies gilt insbesondere für die gute Spaltüberbrückbarkeit (Wurzelschweißen) und für das Schweißen in Zwangslagen. Die Brennerstellung ist ähnlich der beim Schweißen mit Massivdrahtelektroden d.h., sie ist leicht stechend oder neutral. 3 Halbtaucherbohrinseln Die voranschreitende Verknappung von Erdöl und Erdgas an Onshore-Quellen zwingen dazu, die Suche nach natürlichen Rohstoffen auf die Weltmeere auszudehnen, deren Oberfläche mit knapp 71% unseren Planeten bedeckt. Vor diesem Hintergrund werden die Offshore-Aktivitäten immer lukrativer, weshalb gegenwärtig zahlreiche Bohrinseln gebaut werden. Im Vortrag werden jene Bohrinseln angesprochen, die mobil eingesetzt werden können. Diese sind als Ponton ausgeführt und damit schwimmfähig und besitzen eigene Antriebseinheiten, die einerseits den Transport zu neuen Positionen ermöglichen und andererseits die Fixierung der Plattform über dem Bohrloch gewährleisten. In Abu Dhabi wird momentan aus der Reihe der Bohrplattformen die Halbtauchervarinte in Serie gefertigt. Diese Bauart benutzt Pontons als Schwimmkörper, sodass die Bohrinsel in großen Wassertiefen bis 3500m mobil eingesetzt werden kann. Gefüllte Ballasttanks erlauben es diesem Bohrinseltyp selbst bei rauer See recht ruhige und stabile Lage. In Bild 5 erkennt man einen aus drei Blöcken bestehenden Ponton mit 105m Länge [2].

4 Bild 5: Vorfertigung der Pontons einer Bohrinsel in Abu Dhabi (Aufn. Mai 2008) Bild 6 zeigt in schematischer Darstellung die Eckdaten einer Verfahrensprüfung am 40mm dicken Stahl 355 EM mit unsymmetrischer 1/3-2/3-DHV-Nahtvorbereitung, wobei der Luftspalt im Schnitt 3mm beträgt. Die in der PC-Position ausgeführte Verbindung besteht aus 31 Raupen. Die untere Tabelle in Bild 6 gibt die Schweißparameter mit signifikanten Geschwindigkeiten aus vier Bereichen wieder. Die Streckenenergie schwankt zwischen den Extremen 5,9 und 20,7 kj/cm. Der hier verwendete Fülldraht mit Rutilschlacke E81T1Ni1MJH5 ist bis -60 C zugelassen und CTOD geprüft. Die dabei ermittelten Werte bei -10 C und -20 C gehen aus der Tabelle 1 hervor. Die an die Naht gestellte Anforderung lag bei 0,15 / -20 C, die sicher erfüllt wurde.

5 Bild 6: Verfahrensprüfung aus der Offshore-Technik Tabelle 1: CTOD-Ergebnisse der verwendeten Fülldrahtelektrode CTOD (BS) mm bei -10 C 0,364 0,355 0,347 0,355 CTOD (BS) mm bei -20 C 0,191 0,162 0,203 0,185 Die im Rahmen der Verfahrensprüfung nachgewiesenen Güteeigenschaften sind Bild 7 zu entnehmen. Der Test zeigt in allen Bereichen der Verbindung zufrieden stellende Ergebnisse mit ausreichenden Reserven. Bild 7: Ergebnisse der Verfahrensprüfung aus der Offshore-Technik

6 Bild 8: Montage der Bohrinsel im Trockendock und ausdocken nach Fertigstellung In Bild 8 links befindet sich die Bohrinsel im Trockendock für die Endmontage. Dieses Bauwerk besitzt an den Pontonsenden insgesamt 8 Antriebsmotoren, die neben dem Transport der Insel nach Fertigstellung der Bohrung sie auch auf Bohrposition halten können. Das Gesamtgewicht reicht bis t. In Bild 8 wird die Bohrinsel zur Ausrüstung ausgedockt. 4 Geschweißte Zahnradkonstruktionen Im Schwermaschinenbau werden Zahnräder in Schweißkonstruktionen, bestehend aus Nabe, Radscheibe und Zahnradbandage hergestellt. Es handelt sich hierbei je nach Raddurchmesser um zum Teil sehr dickwandige Bauteile, so dass das Schweißen mit sehr risssicheren Zusätzen notwendig wird. Als solche haben sich basische Fülldrahtelektroden bestens bewährt. Hierbei kommt im Hinblick auf die Nahtquerschnitte und insbesondere die Stahlsorte 42 Cr Mo 4 der niedrige Wasserstoffgehalt der nahtlosen Fülldrähte zur Geltung. Das Schweißen erfolgt grundsätzlich mit Vorwärmung auf ca. 300 C. Im Beispiel (Bild 9) wurde mit der Abmessung Ø 2,4 mm vollmechanisiert geschweißt. Bild 9 zeigt auch die Verbindung der Zahnradbandage, wofür ein vergütbarer Fülldraht zur Anwendung gelangte.

7 Bandage 42CrMo 4 Scheibe St mm 30 6 Nabe C 22 Schweißverfahren : MAG Schweißzusatz : MEGAFIL 731 B, 2,4 mm Schweißstrom : 500 A Schweißspannung : 32 V Schweißgeschw.: cm/min Stromart / Polung : G + Pol Schutzgas : CO 2 Vorwärmtemp. : 300 C 35 Bandage s=125 mm Schweißverfahren : MAG Grundwerkstoff : 42 CrMo 4 Schweißzusatz : MEGAFIL 807 B, 1,6 mm Schweißstrom : 320 A Schweißspannung : 30 V Schweißgeschwindigkeit : 35 cm/min Stromart / Polung : G + Pol Schutzgas : CO 2 Vorwärmtemp. : 300 C Wärmenachbehandlung : 4h / 640 C Bild 9: Bauteilskizze, Nahtvorbereitung und Schweiß-Bedingungen für ein Schwermaschinen-Zahnrad 5 MOSE-Projekt Um die Venedig-Lagune vor Hochwasser zu schützen, hat das Wasserbauamt Venedig das MOSE- Projekt,`` MOdulo Sperimentale Electtromeccanico``, für den Bau frei gegeben. Die Konstruktion sieht vor, dass alle drei Hafeneinfahrten (Lido, Malamocco und Chioggia s. Bild 10), die die Lagune mit dem Meer verbinden, bei Hochwassergefahr durch bewegliche, am Meeresgrund angeordnete Barrieren geschlossen werden.

8 Bild 10: Hafeneinfahrten in die Venedig-Lagune [3] Diese bestehen aus dem Offshore-Stahl S355K2G3, die jeweils mit zwei Scharnieren am Fundament im Meeresgrund verbunden sind. Die Gesamtansicht dieser Unterwasseranlage ist in Bild 11 zu sehen. Unterhalb der Barrieren befinden sich Modularstrukturen, die die Stahlbarrieren auch bei maximaler Belastung der Wasserkraft stabil halten. Diese Unterkonstruktion dient auch dazu, zwecks Wartungsarbeiten die Barriereteile zu demontieren, eine Arbeit, die alle 4 Jahre turnusmäßig stattfinden soll. Die einzelnen Sektionen sind zwischen 18 und 21 m hoch, 3,6 m bis 5 m dick und 20 m breit. Bild 11: Entstehung der Schutzmauer Bei Bedarf werden diese mit Luft beaufschlagt. Somit wird das Wasser hinausverdrängt. Die Barrieren werden um die Scharniere hoch gedrückt, bis sie an die Wasseroberfläche gelangen und bilden somit an der jeweiligen Hafeneinfahrt eine geschlossene, feste Mauer. Während die Produktion der Barriereelemente in Anlehnung an den im Schiffbau üblichen Sektionsbau recht einfach zu gestalten ist, kommt den Befestigungseinheiten wegen ihrer enorm großen Beanspruchung eine besondere Bedeutung zu. Wie in Bild 12 ersichtlich, stellt die

9 Konstruktion wegen ihrer Blechdicke von 120mm einerseits und wegen der eingeschränkten Zugänglichkeit andererseits beachtliche Anforderungen an die schweißtechnische Fertigung. Bild 12: Gestaltung der Scharnierelemente Vor diesem Hintergrund fiel die Entscheidung der Verfahrensauswahl auf die MAG-Technik mit Fülldrahtelektroden, wobei die Ausführung mit geeigneten Robotern erfolgt. Zur einwandfreien Wurzelerfassung der rot markierten Nähte wurde die Ausführung der Wurzel auf keramischer Badsicherung vorgenommen. Wegen der Wiederzündfähigkeit und unter Berücksichtigung des Anforderungsprofils an die mechanisch-technologischen Gütewerte kam ein Metallpulverfülldraht in Ø1,4mm zum Einsatz. Die Schweißparameter im Detail gehen aus Tabelle 2 hervor. Tabelle 2: Schweißparameter der Eignungsprüfung Keramische Badsicherung 45 5mm 160 Raupen 160 Raupen

10 Bild 13: Makroschliff der DHV-Naht mit Vollanschluss Wie aus dem in Bild 13 gezeigten Makroschliff erkennbar, sind die Verbindungen trotz der ungewöhnlich großen Wanddicke absolut fehlerfrei. Insbesondere ist der oft bei MAG-Massivdraht unter erschwerten Bedingungen typische Bindefehler dank der sicheren Benetzung des Fülldrahtlichtbogens nicht anzutreffen. Auf die Gütewerte der Verbindung wird im Vortrag eingegangen. Das System MOSE wurde entwickelt, um einem Höhenunterschied im Wasserspiegel von 2m zwischen Lagune und Meer standzuhalten. Da die Zunahme des Wasserspiegels durch die zu erwartenden Klimaänderungen 2m betragen wird, geht man davon aus, dass diese Anlage in den nächsten 100 Jahren die Lagune von Venedig vor Überschwemmungen sicher schützt. Die Baukosten dieser gigantischen Anlage belaufen sich auf ca. 10 Mrd.. Die Barrieren sollen im Juni 2012 in Betrieb genommen werden. 6 Ausblick Die angesprochenen Beispiele belegen, dass unter wirtschaftlichen und qualitativen Gesichtspunkten das MAG-Schweißen mit Fülldrahtelektroden in vielen Fällen das Elektroden-Handschweißen ersetzen kann, wobei den erheblichen Rationalisierungseffekten besonderes Interesse gilt. Des Weiteren ist zu erwähnen, dass der Einsatz der schlackelosen Metallpulver-Fülldrahtelektroden eine Erfolg versprechende Tendenz aufweist. Diese sind als Gegentyp zu den Massivdraht-Elektroden anzusehen. Aufgrund ihrer sehr guten Wiederzündfähigkeit und des fast spritzerfreien Prozessverhaltens sind sie für das Roboterschweißen prädestiniert. Die beschriebenen Applikationen und Arbeitstechniken aus der Praxis geben einen Überblick über die universellen Einsatzmöglichkeiten der Fülldrahtelektroden. 7 Literatur [1] Engindeniz, E.: Fertigung bemerkenswerter Bauwerke mit großer Wanddicke GST Dresden, September 2008 [2] Engindeniz, E.: Effiziente Schweißtechnik an bemerkenswerten Bauwerken Schiffbautagung Hamburg, April 2009 [3] Engindeniz, E., Giorgi, P.: ``MOSE`` - ein Jahrhundertbauwerk zum Schutz der Venedig-Lagune GST Nürnberg, September 2010