Einflüsse auf die Betriebsfestigkeit manuell verschweißter Montagestöße von dünnwandigen Schiffsstrukturen
O. Feltz
2 Einleitung und Motivation
Im aktuellen Schiffbau wird üblicherweise das Sektionsbau-Verfahren angewendet. Das heißt, die einzelnen Sektionen, deren Größe sich werftspezifisch nach den Hebegewichten von Montagekränen, den Abmaßen von Bauplätzen oder Stellplätzen richtet, werden üblicherweise unter Werkstattbedingungen erstellt. Für die Herstellung und somit auch für die durchzuführenden Schweißprozesse bietet dieses Verfahren den Vorzug, dass die Bedingungen beeinflusst werden können. Lufttemperatur und Feuchtigkeit der Umgebung können gesteuert werden, ebenso wie geometrische Einflüsse. Bei hochbelasteten Schweißnähten an Bauteilen bis zu bestimmten Abmaßen (werftabhängig) ist ein Drehen des Bauteiles möglich, um günstige Schweißnahtpositionen herzustellen. Der Einsatz von automatisierten Schweißverfahren ist möglich.
Nach Fertigstellung einer solchen Sektion wird diese zum Helgen oder dem Baudock transportiert und dort an den Platz gestellt, der für die entsprechende Sektion vorgesehen ist. Im Anschluss müssen alle Verbindungen zum Schiffkörper verschweißt werden. Dieses geschieht nun nicht mehr unter Werkstattbedingungen. Bei überdachten Bauplätzen können zwar noch die Umgebungseinflüsse gesteuert werden, die geometrischen allerdings nicht, es kommt zu allen Zwangslagen und Randbedingungen, da die zu verschweißenden Sektionen außerdem viel zu schwer sind, um ein lokales Ausrichten der Bauteile zu ermöglichen. Die zu verschweißenden Plattenenden müssen in eine ausreichend gute Position gebracht werden, um die Verbindung herstellen zu können. Dieses kann häufig nur mit der Aufbringung großer mechanischer Kräfte geschehen. Während und nach dem Schweißvorgang ist es dem bearbeiteten Bauteil nicht möglich, den Dehnungsänderungen aufgrund der Tempe-raturänderungen an der Naht, durch Ausweichen zu entgehen. Diese müssen vollständig vom umgebenden Material aufgenommen werden. Im Betrieb des Schiffes unterliegt der Rumpf einer hohen dynamischen Belastung, welche sich aus dem Wechselspiel von Hogging und Sagging-Situationen, das heißt das Durchbiegen des Schiffs-körpers der Länge aufwärts bzw. abwärts, ergeben. Bestimmte Bereiche des Schiffes erfahren hohe Spannungen, die auch durch Schweißnähte übertragen werden müssen. Die Sektionsbau-weise zwingt dazu, auch in diesen hochbelasteten Bereichen quer zur Hauptbelastungsrichtung (Längsschiffs) Schweißnähte auszu-führen, die diesen Belastungen ausgesetzt sind, obwohl sie nicht auf den automa-tisierten Schweißanlagen einer Werft, zum Teil noch nicht einmal unter Werkstattbe-dingungen ausgeführt werden. Ein automatisiertes Schweißen ist am Sektionsstoß nicht möglich, teils weil in beengten Räumen gearbeitet werden muss, hauptsächlich aber, weil nur wenige ebene Strukturen verbunden werden müssen. Zumeist sind die zu verschweißenden Stöße bereits mit Bauteilen aller Art ausgerüstet, wovon längslaufende Steifen einen großen Anteil haben und müssen gerichtet werde. Die Schweißnähte können nur abschnittweise ausgeführt werden.
Beim Verschweißen solcher Bleche unter diesen Umständen ist eine Unterstützung zur Fixierung der Schweißnaht nicht immer gegeben, die Plattenenden müssen Teilstück für Teilstück entsprechend ausgerichtet werden. Dieses geschieht häufig mit aufgeschweißten Knaggen, die die Blechkanten auf einer Ebene halten, oder mit Stemmeisen, die neben dem Schweißer ein zweiter Werftarbeiter ansetzen muss.
Trotzdem gibt es das Bestreben im modernen Schiffbau, möglichst leicht zu bauen. In diesem Zuge werden auch Plattenstärken unterhalb des üblichen Schiffbau-Niveaus (10 mm und mehr) angestrebt.
Leichtbau hat im Schiffbau einen mehrfachen Nutzen, einerseits ist es wünschenswert bei gleichbleibendem Gesamtgewicht des Schiffes das Ladungsgewicht zu steigern, andererseits bei Schiffen mit hohen Aufbauten die Schwimmstabilität bei extremeren Bauvorhaben ausreichend gut zu erhalten. Hier stehen Yacht- und Passagierschiffbau im Vordergrund.
Die Werften haben somit ein Interesse, besonders in den oberen Decks dünnere Blechstärken zu verwenden. Abgesehen von Mindestblechstärken aufgrund von Feuerschutz- oder Dämmbestim-mungen, sowie Beulfestigkeit ist auch hier das Spannungsniveau entscheidend für die Bestim-mung der nötigen Blechstärke. Vorausgesetzt alle diese Begrenzungen sind erfüllt und eine Plat-tenstärke unterhalb von 10 mm kann in Decks oder Seitenwänden verwendet werden, müssen auch diese am Sektionsstoß verschweißt werden.
Bei Marineschiffen sollen diese Blechstärken auch im Bereich des Festigkeitsdecks eingesetzt werden. Eine Besonderheit von Marineschiffen ist die Belastung der oberen Gurtung bei einem Grenzspannungsverhältnis von R = -1, das heißt aus der auftretende Oberlast resultiert eine Zug-spannung, ihr gegenüber steht als Unterlast eine gleichhohe Drucklast bzw. Druckspannung. Be-grenzend für die Belastung druckbeanspruchter Strukturen ist die Beulfestigkeit. Im Ergebnis ist die gesamte Spannungsamplitude eingeschränkt, da ein Ausbeulen der gesamten Struktur nicht akzeptiert werden kann. Trotzdem stellt sich die Frage, ob die Konstruktion derart wichtiger Strukturen unter oben beschriebenen Bedingungen sicher gegen Anrisse ausgelegt und gefertigt werden kann.
Dünne Bleche zeigen besonders hohe Verformungen durch den Schweißprozess. Die eingebrach-te Wärme führt zu Längenausdehnungen und Schrumpfungen, die das umgebende Blech aufneh-men muss. Durch das geringe Widerstandmoment in Dickenrichtung neigt das Material dazu aus-zuweichen, was zu hohen Winkelverzügen führt. Der Kantenversatz, der bei Stumpfstößen auftritt, zeigt sich bei dünnen Blechen ebenfalls in besonderem Maße. Die Schwierigkeiten die auftreten, den Kantenversatz gering zu halten, werden bereits in der üblicherweise verwendeten Definition deutlich. Der Kantenversatz wird als ein Verhältnis von tatsächlichem Kantenversatz (e) zur Blechdicke (t) angegeben. Als maximale Toleranz gilt hier e/t = 0,1, bei einer beispielhaft angenomme-nen Blechdicke von 4 mm ergibt sich ein zulässiger Kantenversatz von 0,4 mm. Eine solch geringe Toleranz ist nur sehr schwer einzuhalten unter den vorher beschriebenen Umständen.
Anlass für diese Arbeit war eine Forschungsarbeit, welche im Hause der Technischen Universität Hamburg-Harburg am Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen durchgeführt wurde mit dem Thema, ob Fallnaht-geschweißte Nähte ausreichend betriebsfeste Verbindungen ergeben. Hier zeigte sich, dass besonders dünne Bleche die Zielvorgaben nicht erreichten, obwohl sie unter den gleichen Bedingungen hergestellt waren, wie die Schweißnähte an dickeren Blechen.
Dieses erzielte Ergebnis in Kombination mit dem oben beschriebenen Begleitumständen an einem Montagestoß, gab die Veranlassung einer intensiven Untersuchung des Verhaltens von Stumpf-stößen bei dünnen Blechen (kleiner 10 mm) mit dem Fokus auf manuell oder semi-automatisch hergestellte Schweißnähte.
Es wird der Frage nachgegangen, welche Einflüsse auf die Betriebsfestigkeit der beschriebenen Schweißnähte identifiziert und quantifiziert werden können. Zu diesem Zweck wurden an einer großen Anzahl von Kleinproben Schwingfestigkeitsuntersu-chungen durchgeführt und aufwändig ausgewertet. Im Anschluss wurde untersucht, ob die Ergebnisse der Kleinproben auf Bauteile übertragen, bzw. die Methoden wie sie in der Betriebsfestigkeit für Plattenstärken größer 10 mm gesichert angewendet werden, auch für dünnere Bleche verwendet werden können.
Eine Grundlage dieser Arbeit ist eine große Anzahl von Probenkörpern, die von 6 Werften unter möglichst realistischen Bedingungen hergestellt und zu Testzwecken zur Verfügung gestellt wurden.
