Maritimes Schweißen

Eine Wissenschaft für sich

Wie definiert man „Schweißen“? „Wir haben darauf eine einfache Antwort“, erklärt Norbert Worm mit einem Schmunzeln, „Schweißen verbindet“. Norbert Worm ist Principal Welding Engineer bei der Klassifikationsgesellschaft DNV GL und beschäftigt sich seit seinem Eintritt ins Berufsleben mit dem Schweißen, dem wichtigsten aller Fügeverfahren. Genau genommen gehen beim Schweißen zwei oder mehrere Werkstoffe durch die Anwendung von Wärme oder Druck eine stoffschlüssige Verbindung ein. Dabei können auch zusätzliche Werkstoffe wie Schutzgase, Schweißpulver und Schweißpasten eingesetzt werden.

Umfangreich und detailliert ist beim Schweißen das nationale und internationale Regelwerk von DIN- und ISO-Normen

Ohne die verschiedenen Verfahren, Stahl unterschiedlicher Qualitäten, Stärken, Formen und Größen zu schweißen, hätten Konstrukteure keine Schiffstypen für besondere Anforderungen entwickeln können – vom kleinen Binnenschiff über Fähren, Super-Yachten und Passagierschiffe bis hin zu Multi-Purpose-Carriern sowie Tankern, Bulkern und Containerschiffen mit Längen von knapp 400 Metern. Und es wäre auch nicht denkbar, dass diese Schiffe 25 Jahre oder länger die Weltmeere befahren und dabei nicht nur Regen und Salzwasser trotzen, sondern auch den vielfältigen mechanischen Belastungen durch Wind und die Bewegung der Wellen. „Das alles ist nur möglich“, sagt Norbert Worm, „wenn die Schweißnähte halten“.

Schweißen als Studienfach

Ohne Schweißen könnte man keine Leichtmetallkonstruktionen für ICE-Züge fertigen, ohne Schweißen gäbe es weder Flugzeuge noch Autos, ohne Schweißen wären Welthandel und individuelle Mobilität noch auf dem Stand des späten 19. Jahrhunderts. Macht man sich dies bewusst, ist es keine Überraschung mehr, dass es an vielen Technischen Universitäten in Deutschland eigene Institute für Fügetechnik und Montage gibt, an denen Professoren für Schweißtechnik forschen und lehren und Diplom-Ingenieure sich weiter qualifizieren können zu Schweiß-Fachingenieuren.

Der Stoff ist umfangreich: Es gibt Schweißverfahren für Metalle, Kunststoffe und andere Werkstoffe, man kann Bauteile nicht nur verbinden, sondern auch beschichten und neben Handschweißverfahren gibt es teil- bzw. voll mechanisierte sowie automatisierte Schweißverfahren.

Ebenso umfangreich und detailliert ist das nationale und internationale Regelwerk von DIN und ISO-Normen, die kontinuierlich dem Stand der Forschung angepasst werden. Darüber hinaus hat jede Klassifikationsgesellschaft ihre eigenen Regeln entwickelt, die bei DNV GL auf über 150 Jahren Erfahrung im Schiffbau basieren.

Das Zertifizierungssystem für maritimes Schweißen

„Wenn ein Eigner sich entschließt, ein Schiff nach den Regeln von DNV GL bauen zu lassen, müssen sich die Werft und deren Zulieferer umfangreichen Prüfungen unterziehen“, erklärt Norbert Worm. „Bevor die erste Schweißnaht angebracht wird, müssen die Werft und alle Zulieferer, die in eigener Regie Schweißarbeiten durchführen, nachweisen, dass sie über entsprechende Systeme zur Qualitätssicherung verfügen.“

Bei einer Schweißverfahrensprüfung überzeugen sich die Besichtiger von DNV GL vor Ort, dass das Material nach dem Schweißen immer noch die Festigkeitswerte erreicht, für die es der Konstrukteur ausgelegt hat. Die Schweißer und diejenigen, die für die Schweißtechnik im Unternehmen verantwortlich sind, müssen über die erforderlichen, gültigen Qualifikationen verfügen. Geprüft wird auch, ob die eingesetzten Materialien und Schweißzusätze den Anforderungen der Klassifikationsgesellschaft entsprechen und ob die Maschinen und Anlagen so ausgelegt sind, dass die gewünschten Bauteile oder Sektionen gefertigt werden können. Sind alle Bedingungen erfüllt, erhält die Werft bzw. der Zulieferer die Zulassung zum Schweißen (Welding Workshop Approval), die im Allgemeinen drei Jahre lang gültig ist.

Von normalfest bis hochfest

Die Besichtiger von DNV GL sind auch dabei, wenn der Stahl für den Bau eines Schiffes hergestellt wird. „Es gibt die Qualität Schiffbaustahl“ sagt Nobert Worm. „Wir unterscheiden normalfeste Stähle, höherfeste Stähle und hochfeste Stähle, wobei es in jeder Kategorie unterschiedliche Gütegrade gibt, die anzeigen, welchen Belastungen der Stahl standhalten kann.“ Bei der Herstellung werden Proben „mitgefahren“, die dann in Testlaboren und Materialprüfungsanstalten untersucht werden. Entsprechen die Stähle den Anforderungen der Klassifikationsgesellschaft, werden die dazu gehörigen Dokumente vom Besichtiger abgestempelt.

 

Maritimes Schweißen

Mechanische Belastungen

Je größer ein Seeschiff ist, desto mehr Angriffsflächen bietet es Wind und Wellen und desto stärker kann sich der Schiffsrumpf unter deren Einfluss biegen, stauchen und verdrehen. Hinzu kommen mögliche Bewegungen in den eigenen Kraftstoff- und Ballastwassertanks. Neuralgische Punkte sind die Ruder- und Propelleranlage sowie die Mitte des Schiffes, denn hier könnte es in einem tiefen Wellental oder auf einem hohen Wellenberg zerbrechen. Um derartige Risiken zu minimieren, simulieren die Konstrukteure eines Schiffes mit Hilfe der so genannten Finite-Element-Methode, welche Kräfte in welcher Stärke in kleinsten Teilbereichen des Rumpfes wirksam werden können. Anhand der Simulationsergebnisse können sie dann festlegen, welcher Stahl in welcher Stärke an diesen Stellen verbaut werden muss.

Schweißverfahren im Schiffbau

Üblicherweise kommt im Schiffbau das Lichtbogenschweißen aus dem Bereich der Schmelzschweißverfahren zum Einsatz. Hierbei wird der Stahl durch einen elektrisch erzeugten Lichtbogen zum Schmelzen gebracht. In einigen speziellen Anwendungen wie z.B. dem Reibschweißen lassen sich verschiedenartige Werkstoffe durch mechanische Krafteinwirkung (Reibung/Wärme) miteinander verbinden.

„Schweißroboter, wie sie in der Automobilindustrie eingesetzt werden, gibt es im Schiffbau nicht“, erläutert Norbert Worm. „Im Schiffbau arbeitet man eher mit Portalanlagen, bei denen die Bleche plan ausliegen und die Schweißmaschinen entlang zweier Achsen – x und y – ihre Arbeit erledigen. In den großen Werften ist das gängige Praxis bei der Vorfertigung der Außenhaut, der Decks und der Schotten. In den nachfolgenden Prozessen wird jedoch häufiger von Hand geschweißt.“ Wenn automatisierte Schweißprozesse gut laufen, ist die Gefahr von Fehlern geringer als beim Handschweißen. Wenn jedoch Unregelmäßigkeiten auftreten, hätte man schnell einen Serienfehler und müsse eventuell viele Schweißnahtmeter nacharbeiten.

Die Prüfung der Schweißnähte

„80 Prozent der Schweißnähte eines Schiffes sind so genannte Kehlnähte, bei denen zwei Bauteile in T-Form miteinander verschweißt werden“, erklärt Norbert Worm. „Nur 20 Prozent der Nähte sind Stumpfnähte, bei denen zwei Teile horizontal oder vertikal aufeinander stoßen und voll miteinander verschweißt werden – wie z.B. bei den Platten der Außenhaut.“

Eine der großen Herausforderungen beim Schweißen bestehe darin, dass sich der Stahl durch die eingebrachte Wärme verzieht und Spannungen im Material auftreten. Bei dünnen Blechen unter 10 mm Stärke wellt sich das Material regelrecht, was aufwändige Richtarbeiten nach sich ziehen kann. Die Kehrseite der Medaille: Je höher der Gütegrad eines Stahls ist, desto schwieriger wird es, diesen Werkstoff in gleichbleibend hoher Qualität zu verschweißen.

All das hat zur Folge, dass die Schweißnähte eines Neubaus – bei großen Seeschiffen können das etliche Kilometer sein – einer Sichtprüfung unterzogen werden. Schweißnähte an neuralgischen Punkten werden darüber hinaus noch auf Stichprobenbasis mit anderen Verfahren geprüft. Um mögliche Risse festzustellen, werden Magnetpulver- und Farbeindringprüfungen durchgeführt. Strukturen, die Kraft aufnehmen und übertragen, werden mittels Röntgen und Ultraschall auf Fehler innerhalb der Schweißnaht untersucht. Als Faustregel könne man sagen:

Je kritischer ein Bereich ist, desto weniger Unregelmäßigkeiten sind akzeptabel.

Maritimes Schweißen

Norbert Worms

Norbert Worm, Principal Engineer, Materials & Welding, DNV GL - Maritime

as gilt auch bei den so genannten Klasseprüfungen, bei denen Schiffe in regelmäßigen Abständen auf ihre Fahrtüchtigkeit hin untersucht werden. Hier werden im Trockendock z.B. nicht nur der Farbanstrich und der Korrosionsschutz überprüft, sondern auch per Ultraschall, ob die Materialstärken der Außenhaut noch eingehalten werden. Wird die vorgeschriebene Blechstärke unterschritten, müssen die Platten aus dem Rumpf herausgeschnitten und durch neue ersetzt werden.

Laserschweißen

Zu den interessantesten Forschungsprojekten, mit denen sich Norbert Worm in den vergangenen Jahren in Zusammenarbeit mit deutschen und internationalen Verbundpartnern beschäftigt hat, gehören die Laserstrahlanwendungen. Mit Hilfe eines Lasers kann die Wärme gezielter ins Material eingebracht werden. Daher lassen sich auch schwer schweißbare Materialien verbinden. Zum Einsatz kommen diese Verfahren auch in der Reparatur und Aufarbeitung von maschinenbaulichen Komponenten aus dem Schiffsinneren.

Das Faszinierende an seinem Fachgebiet sei, sagt Norbert Worm, dass es ständig neue Entwicklungen gäbe und er immer wieder Neues erforschen und lernen kann. Davon profitieren dann auch die Kunden des DNV GL.

Norbert Worm, Principal Engineer, Materials & Welding, DNV GL - Maritime

Nach einer Lehre zum Zerspanungsfacharbeiter/Fräser studierte Norbert Worm an der Technischen Hochschule Wismar/Universität Rostock Maschinenbau mit Abschluss Diplom-Ingenieur. Da ihn das Thema Schweißen besonders interessierte, machte er berufsbegleitend eine zusätzliche Ausbildung an der SLV Mecklenburg-Vorpommern zum Schweißfachingenieur. Er arbeitete 10 Jahre bei verschiedenen mittelständischen Unternehmen als Schweißaufsicht und Projektleiter, bevor er 2003 seine Karriere bei der Klassifikationsgesellschaft Germanischer Lloyd (GL) fortsetzte. Als Principal Welding Engineer der 2013 fusionierten Klassifikationsgesellschaft DNV GL überwacht und zertifiziert er weltweit schweißtechnische Unternehmen der maritimen Industrie und leitet verschiedene nationale und internationale Forschungsprojekte auf dem Gebiet der Laserschweißtechnik.

Zurück