ISO 23857 Schweißqualität für Kran-Stahlkonstruktionen

Stahlkonstruktionen von Kranen entwickeln sich zunehmend in Richtung Hochfestigkeit und Leichtbauweise – Stähle der Güten Q460, Q550 und sogar Q690 werden bereits umfassend in den Auslegerstrukturen großer Portalkrane und Raupenkrane eingesetzt. Hochfeste Stähle weisen einen hohen Kohlenstoffäquivalentwert und eine ausgeprägte Kaltrissneigung auf, was deutlich höhere Anforderungen an die Schweißverfahren stellt. ISO 23857 ergänzt gegenüber der bisherigen ISO 7363 ein eigenes Kapitel zum Schweißen hochfester Stähle und verfeinert die Bewertungsmethodik für Schweißnahtqualitätsstufen – sie ist damit die aktuellste und umfassendste internationale Norm für das Schweißen von Kran-Stahlkonstruktionen.

Bewertungsgruppen für Schweißnähte (Stufen B/C/D)

ISO 23857 verweist auf ISO 5817 – Bewertungsgruppen für Schmelzschweißverbindungen und legt für Schweißnähte in Kran-Stahlkonstruktionen die drei Bewertungsgruppen B, C und D fest. Gruppe B (streng) gilt für Stumpfnähte am zugbeanspruchten Flansch des Hauptträgers sowie für Verbindungsnähte am Kopfträger, die Ermüdungslasten ausgesetzt sind – zulässig ist hier ein einzelner Porendurchmesser von ≤ 1,5 mm; Risse, mangelhafte Durchschweißung und Bindefehler sind nicht zulässig. Gruppe C (mittel) gilt für Stumpfnähte am Stegblech des Hauptträgers und für Auflagernähte – zulässig sind Oberflächenporen ≤ 2 mm und Einbrandkerben bis 0,5 mm Tiefe. Gruppe D (allgemein) gilt für Schweißnähte an nicht tragenden Konstruktionen wie Laufstegkonsolen – zulässig sind Einbrandkerben ≤ 1 mm und einzelne Poren ≤ 3 mm.

Gegenüber der bisherigen ISO 7363 wurden die Abnahmestufen von „A/B/C“ auf „B/C/D“ umgestellt, wodurch der Mindestabnahmestandard deutlich angehoben wurde – Fehler, die nach der alten Norm in Stufe C noch zulässig waren, werden in der neuen Fassung nicht mehr akzeptiert.

Spezifische Anforderungen an das Schweißen hochfester Stähle

ISO 23857 enthält ein neues Kapitel mit spezifischen Anforderungen an das Schweißen hochfester Stähle mit einer Streckgrenze ≥ 460 MPa. Der Kohlenstoffäquivalentwert CEV wird nach der IIW-Formel berechnet: CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15. Bei CEV ≥ 0,43 % ist vor dem Schweißen auf 100–150 °C vorzuwärmen, die Zwischenlagentemperatur ist zwischen 150 und 200 °C zu halten, und nach dem Schweißen ist das Bauteil bei 200–250 °C für 2 Stunden zu tempern und anschließend langsam abzukühlen, um Kaltrisse zu vermeiden.

Grundsätze der Schweißzusatzwerkstoffauswahl: ① Festeigkeitsmäßige Anpassung – die Streckgrenze des Schweißguts darf die Mindeststreckgrenze des Grundwerkstoffs nicht unterschreiten; für Stahl der Güte Q550 wird beispielsweise ein Schweißdraht mit einer Streckgrenze ≥ 550 MPa verwendet (AWS ER110S-1 oder ISO G 62 4 M21 Mn3NiCrMo). ② Niedriger Wasserstoffgehalt – der Diffusionswasserstoffgehalt darf 5 mL/100 g nicht überschreiten (Verwendung vakuumverpackter, niedrigwasserstoffhaltiger Zusatzwerkstoffe; Restmenge innerhalb von 4 Stunden nach Öffnen aufbrauchen). ③ Zähigkeitsmäßige Anpassung – Kerbschlagarbeit ≥ 47 J bei −20 °C, um den Anforderungen an Betriebsbedingungen von Kranen im Freien bei niedrigen Temperaturen gerecht zu werden.

Verschärfte Anforderungen an die Schweißverfahrensprüfung (WPQR)

ISO 23857 verlangt für die Schweißverfahrensprüfung hochfester Stähle zusätzliche Prüfungen: ① Härteprüfung – die maximale Härte in der Wärmeeinflusszone (WEZ) darf HV 350 nicht überschreiten (gemäß ISO 9015-1); eine zu hohe Härte deutet auf Kaltrissneigung und Gefügeversprödung hin. ② Zugversuch an Kreuzstoßverbindungen – zur Erkennung der Empfindlichkeit gegenüber Lamellenrissen; für T-Stöße mit einer Dicke ≥ 20 mm ist diese Prüfung verpflichtend. ③ CTOD-Bruchzähigkeitsprüfung – für Schweißnähte an Kran-Stahlkonstruktionen im Brücken- und Kernkraftbereich ist ein Prüfbericht mit einem CTOD-Wert ≥ 0,15 mm (−20 °C) vorzulegen.

Gültigkeitsbereich der Verfahrensprüfung: Die Dickenbereiche des Grundwerkstoffs richten sich nach ISO 15614-1. Bei einer Probeblechdicke t ≤ 25 mm deckt die Qualifizierung einen Bereich von 0,75 t bis 1,5 t ab. Eine Absenkung der Vorwärmtemperatur um mehr als 25 °C erfordert eine erneute Qualifizierung (strenger als die in ISO 7363 festgelegten 50 °C) – ein Beleg für die Empfindlichkeit hochfester Stähle gegenüber dem Temperaturfenster.

Technischer Fortschritt bei der zerstörungsfreien Prüfung

ISO 23857 empfiehlt für die zerstörungsfreie Prüfung durchgeschweißter Nähte an hochfesten Stählen den Einsatz der Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) anstelle der herkömmlichen Einkristall-Prüfkopftechnik. Vorteile von PAUT: Durch die sektorielle Abtastung unter mehreren Winkeln wird eine zweidimensionale Abbildung des Nahtquerschnitts erzielt, wodurch auch kleine, in unterschiedlichen Richtungen orientierte Fehler erkannt werden können. Die Erkennungsempfindlichkeit ist gegenüber der konventionellen UT um etwa 6 dB erhöht. Die Prüfergebnisse lassen sich digital speichern und dreidimensional rekonstruieren, was die Rückverfolgbarkeit und Trendanalyse erleichtert.

Für kritische Schweißnähte mit einer Blechdicke ≥ 60 mm schreibt ISO 23857 eine zweistufige Ultraschallprüfung vor: Die erste Prüfung erfolgt als Zwischenprüfung bei 50 % der Blechdicke (zur frühzeitigen Erkennung von Wurzelfehlern, um aufwendige Nacharbeit nach dem vollständigen Schweißen zu vermeiden); die zweite Prüfung wird als Endprüfung 48 Stunden nach Abschluss der Schweißarbeiten durchgeführt (zur Erfassung von Latenzrissen). Für beide Prüfungen sind formelle Prüfberichte zu erstellen.

Häufige Fragen