Erläuterung der Norm ISO 23857 „Anforderungen an die Schweißqualität von Stahlkonstruktionen für Krane“
📋 Die Normen im Überblick:ISO 23857 „Krane – Anforderungen an die Schweißqualität von Stahlkonstruktionen“ ist eine spezielle Norm zur Schweißqualität, die 2022 von ISO/TC 96 veröffentlicht wurde und die Norm ISO 7363 ersetzt und weiterentwickelt. Die Norm führt ein auf ISO 5817 basierendes Klassifizierungssystem für die Schweißnahtqualität (drei Klassen: B, C und D) ein, legt die zulässigen Fehlerarten und Größengrenzen für Schweißnähte verschiedener Belastungsklassen fest und enthält zusätzlich spezielle Anforderungen für das Schweißen von hochfestem Stahl (Streckgrenze ≥ 460 MPa).
Die Stahlkonstruktionen von Kranen entwickeln sich zunehmend in Richtung hoher Festigkeit und geringem Gewicht – Stähle der Güteklassen Q460, Q550 und sogar Q690 finden bereits breite Anwendung in den Auslegerkonstruktionen von großen Portalkranen und Raupenkranen. Hochfester Stahl weist ein hohes Kohlenstoffäquivalent und eine hohe Neigung zu Kaltbrüchen auf, was höhere Anforderungen an die Schweißverfahren stellt. Die Norm ISO 23857 ergänzt die ursprüngliche Norm ISO 7363 um ein spezielles Kapitel zum Schweißen von hochfestem Stahl und präzisiert die Methoden zur Bewertung der Schweißnahtqualität. Sie ist damit die neueste und umfassendste internationale Norm im Bereich des Schweißens von Stahlkonstruktionen für Krane.
I. Klassifizierungssystem für die Schweißnahtqualität (drei Stufen: B/C/D)
ISO 23857 verweist auf ISO 5817 „Lichtbogenschweißverbindungen aus Stahl – Qualitätsklassen für Fehler“ und stuft Schweißnähte an Stahlkonstruktionen von Kranen in die drei Klassen B, C und D ein. Klasse B (streng) gilt für Stumpfschweißnähte an den Zugflanschen von Hauptträgern, die Ermüdungsbelastungen ausgesetzt sind, sowie für Verbindungsschweißnähte an Endträgern – der zulässige Durchmesser einzelner Poren beträgt ≤ 1,5 mm, Risse, mangelnde Verschmelzung und mangelnde Durchschweißung sind nicht zulässig. Klasse C (mittel) gilt für Stumpfschweißnähte an den Stegen der Hauptträger sowie für Schweißnähte an den Auflagern – zulässige Oberflächenporen ≤ 2 mm, Einbrandtiefe ≤ 0,5 mm. Klasse D (allgemein) gilt für Schweißnähte an nichttragenden Konstruktionen wie Laufstegstützen – zulässige Einbrandtiefe ≤ 1 mm, einzelne Poren ≤ 3 mm.
Im Vergleich zur alten Fassung der Norm ISO 7363 wurden in der Norm ISO 23857 die Abnahmestufen von ”A/B/C” auf ”B/C/D” angepasst, wodurch die Mindestanforderungen für die Abnahme wesentlich verschärft wurden – Schweißnahtfehler der Klasse C, die in der alten Fassung noch zulässig waren, werden in der neuen Fassung nicht mehr akzeptiert.
II. Besondere Anforderungen an das Schweißen von hochfestem Stahl
Die Norm ISO 23857 enthält nun ein neues Kapitel speziell zum Schweißen von hochfestem Stahl mit einer Streckgrenze von ≥ 460 MPa. Der Kohlenstoffäquivalentwert (CEV) wird nach der IIW-Formel berechnet: CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15. Wenn CEV ≥ 0,431 TP3T ist, muss das Werkstück vor dem Schweißen auf 100–150 °C vorgewärmt werden, die Zwischenlagentemperatur muss bei 150–200 °C gehalten werden, und nach dem Schweißen muss es 2 Stunden lang bei 200–250 °C gehalten und anschließend langsam abgekühlt werden, um Kaltrisse zu vermeiden.
Grundsätze für die Auswahl geeigneter Schweißzusätze: ① Gleichwertige Festigkeit – Die Streckgrenze des Schweißzusatzmetalls darf den für das Grundmaterial vorgeschriebenen Wert nicht unterschreiten; beispielsweise ist für Stahl der Güteklasse Q550 ein Schweißdraht mit einer Streckgrenze von ≥ 550 MPa zu wählen (AWS ER110S-1 oder ISO G 62 4 M21 Mn3NiCrMo); ② Wasserstoffarm – Diffusionswasserstoffgehalt ≤ 5 ml/100 g (Verwendung von vakuumverpacktem, wasserstoffarmem Schweißmaterial, das innerhalb von 4 Stunden nach dem Öffnen aufgebraucht werden muss); ③ Anpassung der Zähigkeit – Schlagarbeit bei -20 °C ≥ 47 J, um den Anforderungen für den Einsatz von Kranen bei niedrigen Außentemperaturen gerecht zu werden.
III. Verschärfte Anforderungen an die Schweißverfahrenqualifizierung (WPQR)
Die Norm ISO 23857 schreibt vor, dass bei der Schweißverfahrenqualifizierung für hochfesten Stahl folgende Prüfpunkte hinzuzufügen sind: ① Härteprüfung – Die maximale Härte in der Wärmeeinflusszone (HAZ) darf ≤ HV350 betragen (gemäß ISO 9015-1); eine zu hohe Härte deutet auf eine Neigung zu Kaltbrüchen und auf eine Versprödung des Gefüges hin; ② Zugversuch an Kreuzschweißverbindungen – zur Prüfung der Anfälligkeit für Schichtreißen; diese Prüfung ist für T-Verbindungen mit einer Dicke von ≥ 20 mm durchzuführen; ③ CTOD-Bruchzähigkeitsprüfung – Für Schweißnähte an Stahlkonstruktionen von Kränen für Brücken und Kernkraftwerke muss ein Prüfbericht mit einem CTOD-Wert von ≥ 0,15 mm (-20 °C) vorgelegt werden.
Gültigkeitsbereich der Verfahrensprüfung: Gemäß den Bestimmungen der ISO 15614-1 gilt für die Grundwerkstoffdickenklassen bei einer Probenstärke t ≤ 25 mm ein Prüfbereich von 0,75 t bis 1,5 t. Bei einer Senkung der Vorwärmtemperatur um mehr als 25 °C ist eine Neubewertung erforderlich (dies ist strenger als die in ISO 7363 ursprünglich festgelegten 50 °C), was die Empfindlichkeit von hochfestem Stahl gegenüber dem Temperaturbereich verdeutlicht.
IV. Technischer Fortschritt in der zerstörungsfreien Prüfung
Die Norm ISO 23857 empfiehlt den Einsatz der Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) anstelle der herkömmlichen Ultraschallprüfung mit Einkristall-Sonden bei der zerstörungsfreien Prüfung von Vollschmelz-Schweißnähten aus hochfestem Stahl. Vorteile von PAUT: Durch den mehrwinkligen Fächerscan wird eine zweidimensionale Abbildung des Schweißnahtquerschnitts erzielt, wodurch kleine Fehler in unterschiedlichen Richtungen erkannt werden können; die Prüfempfindlichkeit ist um etwa 6 dB höher als bei herkömmlicher UT; die Prüfergebnisse können digital gespeichert und dreidimensional rekonstruiert werden, was die Rückverfolgbarkeit und Trendanalyse erleichtert.
Für kritische Schweißnähte bei einer Blechdicke von ≥ 60 mm schreibt die Norm ISO 23857 vor, dass die Ultraschallprüfung (UT) in zwei Schritten durchgeführt wird: Die erste Prüfung erfolgt als Zwischenprüfung, sobald die Schweißnaht die Dicke von 50% erreicht hat (um Fehler im Wurzelbereich frühzeitig zu erkennen und schwierige Nachbesserungen nach dem vollständigen Verschweißen zu vermeiden), die zweite Prüfung wird 48 Stunden nach Abschluss des Schweißvorgangs als Endprüfung durchgeführt (um verzögerte Risse zu erkennen). Für beide Prüfungen muss ein offizieller Prüfbericht ausgestellt werden.
| Stahlsorte | Streckgrenze (MPa) | CEV-Schwellenwert | Vorheiztemperatur (°C) | Anpassung der Schweißmaterialien |
|---|---|---|---|---|
| Q355B | 345 | ≤ 0,43 | Ohne Vorheizen | ER50-6 |
| Q460 | 460 | ≥0,43 | 100~150 | ER80S-G |
| Q550 | 550 | ≥0,48 | 120~180 | ER110S-1 |
Häufig gestellte Fragen
Frage: Welche Norm sollte derzeit verwendet werden: ISO 23857 oder ISO 7363?
Antwort: ISO 23857:2022 ist die Nachfolgnorm zu ISO 7363:1986; bei neuen Exportprojekten sollte vorrangig ISO 23857 angewendet werden. Bei noch laufenden alten Verträgen, in denen ausdrücklich die Versionsnummer von ISO 7363 genannt wird, ist gemäß den vertraglichen Vereinbarungen vorzugehen. In der überarbeiteten Fassung von 2022 der chinesischen Norm GB 50661 „Norm für das Schweißen von Stahlkonstruktionen“ wurden einige Abnahmebestimmungen unter Bezugnahme auf ISO 23857 angepasst, sodass sich die technischen Ausrichtungen beider Normen annähern. Die Schweißverfahren für Stahlkonstruktionen bei den Exportkränen von Krude Heavy Industry werden bereits gemäß der Norm ISO 23857, Klasse B, durchgeführt.
Frage: Welche Probleme treten beim Schweißen von hochfestem Stahl am häufigsten auf?
Antwort: Kaltrisse (wasserstoffinduzierte verzögerte Risse) stellen das größte Risiko beim Schweißen von hochfestem Stahl dar. Vorbeugende Maßnahmen: ① Strenge Kontrolle der Wasserstoffquellen – Verwendung von schweißzusätzen mit niedrigem Wasserstoffgehalt, Entfernung von Öl, Rost und Feuchtigkeit aus der Schweißnaht, Vorwärmen vor dem Schweißen zur Wasserstoffentfernung; ② Kontrolle der Abkühlgeschwindigkeit – Warmhalten und langsames Abkühlen nach dem Schweißen, keine erzwungene Luftkühlung unter 200 °C; ③ Rechtzeitige Wasserstoffentfernung nach dem Schweißen – sofortiges Erhitzen auf 250 °C und Halten dieser Temperatur für 2 bis 4 Stunden; ④ Nachprüfung mittels Ultraschallprüfung (UT) nach 48 Stunden – verzögerte Risse treten in der Regel innerhalb von 24 bis 48 Stunden nach dem Schweißen auf; eine sofortige Prüfung nach dem Schweißen kann zu Übersehen führen.
Frage: Warum treten bei Stumpfschweißnähten an der Mittelplatte häufig Probleme auf?
Antwort: Die Stumpfnaht an der Stegplatte ist die Stelle, an der bei der Herstellung von Hauptträgern die meisten Probleme auftreten. Gründe: ① Die Einschränkung in Richtung der Blechdicke ist groß, sodass sich die Schweißschrumpfspannungen in dieser Richtung nicht entladen können, was leicht zu Schichtreißen führt; ② Die Stegdicke von üblicherweise 6 bis 12 mm fällt in den Bereich des Dünnblechschweißens; bei unsachgemäßer Steuerung der Wärmezufuhr kann es zu Durchbrennen oder übermäßigen Schweißverformungen kommen. Technische Maßnahmen: Einsatz von CO₂-Schutzgasschweißen mit feinem Draht (Φ1,2 mm), wobei die Wärmezufuhr auf 0,8 bis 1,5 kJ/mm begrenzt wird; Der Winkel der Stumpfnahtfuge beträgt 50° bis 60°, die Fasenbreite 1 bis 2 mm; auf der Fugenfläche der Stegseite des T-Stücks wird zunächst eine Übergangsschicht aufgeschweißt, bevor die Füllnaht ausgeführt wird.
Frage: Welche Zertifizierungen sind für die Schweißarbeiten an Kranen erforderlich, die in die EU exportiert werden sollen?
Antwort: Für Stahlkonstruktionen von Kranen, die in die EU exportiert werden, gelten im Allgemeinen folgende Anforderungen: ① Zertifizierung nach ISO 3834-2 „Anforderungen an die Schweißqualität – Allgemeine Qualitätsanforderungen“ (entspricht EN ISO 3834-2); ② die Ausführungsstufe EXC3 gemäß EN 1090-2 „Ausführung von Stahl- und Aluminiumkonstruktionen – Technische Anforderungen an Stahlkonstruktionen“ (entspricht Schweißnähten der Klasse B nach ISO 23857); ③ eine Konformitätserklärung für die CE-Kennzeichnung gemäß EN 1090-1. Alle drei Zertifikate sind unverzichtbar; das Schweißunternehmen selbst muss die Zertifizierung nach dem ISO 3834-2-System bestehen, und die Produkte müssen die CE-Kennzeichnung gemäß EN 1090 erhalten. Krude Heavy Industry hat die Zertifizierung des Schweißqualitätssystems nach ISO 3834-2 bereits erhalten (die Zertifikatsnummer kann online bei SGS überprüft werden).
