Schweißnahtrisse am Brückenkran erkennen: 3 Prüfverfahren

Der Hauptträger eines Brückenkrans ist das zentrale Strukturbauteil, das die gesamte Hublast sowie das Eigengewicht aufnimmt. Die Qualität seiner Schweißnähte bestimmt maßgeblich die Betriebssicherheit und die Lebensdauer der gesamten Krananlage. Im realen Betrieb sind die Hauptträgernähte einer kombinierten Beanspruchung aus Schwelllast, Schweißeigenspannungen und Korrosion ausgesetzt, wodurch Ermüdungsrisse begünstigt werden. Der vorliegende Beitrag erläutert systematisch die Verfahren zur Fehlerprüfung, die Bewertungskriterien sowie die Instandsetzungsprozesse für Risse in Hauptträgerschweißnähten auf Grundlage der technischen Rahmenwerke von ISO 23857 – Schweißtechnische Anforderungen an Stahlkonstruktionen von Kranen und AWS D1.1 – Schweißspezifikation für Stahlbauten.

Ursachen und typische Risspositionen am Hauptträger

Die Entstehung von Rissen in den Schweißnähten des Hauptträgers ist das Ergebnis mehrerer zusammenwirkender Faktoren. Den wesentlichsten Einfluss üben die Schweißeigenspannungen aus: Beim Zusammenbau des Hauptträgers wird das Schweißgut beim Abkühlen durch das umgebende Grundmaterial behindert, wodurch im Nahtbereich ein Zugspannungsfeld von bis zu 60 % bis 80 % der Streckgrenze des Werkstoffs entsteht. Während des Kranbetriebs überlagern sich die periodischen Lastwechsel der Hublast sowie die Stoß- und Schwingungsbeanspruchungen aus dem Katzfahren diesen Eigenspannungszonen. Die Folge ist eine ausgeprägte Bevorzugung der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone als Ausgangspunkt für Ermüdungsrisse.

Statistische Auswertungen aus der praktischen Prüftechnik zeigen, dass Risse in Hauptträgerschweißnähten überwiegend in den folgenden sechs Bereichen auftreten:

Nahtenden der Verbindung zwischen Flanschblech und Stegblech – Diese Position weist mit rund 35 % die höchste Risshäufigkeit aller Schweißnahtfehler auf. Die Risse breiten sich in Längsrichtung der Naht aus und konzentrieren sich besonders im Bereich von etwa einem Viertel der Spannweite vom Trägerende entfernt, wo die Querkraft ihr Maximum erreicht.

Ränder der Durchschweißöffnungen unterhalb der Steifen – Bei der Verbindung der Quersteifen mit dem Stegblech werden an der Kreuzung zwischen Steifenunterkante und Flanschblech Durchschweißöffnungen vorgesehen. Die geometrische Kerbwirkung an diesen Öffnungsrändern erzeugt einen Spannungskonzentrationskoeffizienten von 3 bis 5. Risse breiten sich hier typischerweise in einem Winkel von 45° in Richtung des Stegblechs aus.

Nahtwurzel der Konsolenanschlüsse – Die Konsolen bilden die Verbindungsknoten zwischen Hauptträger und Kopfträger und übertragen sämtliche Auflagerreaktionen. Im Zugbereich der Nahtwurzel können unter wechselnder Biegebeanspruchung Querrisse entstehen, die sich mit der Phased-Array-UT zuverlässig erkennen lassen.

Prüfverfahren und technische Parameter

Für die unterschiedlichen Positionen und Rissarten ist eine Kombination mehrerer zerstörungsfreier Prüfverfahren erforderlich. Jedes einzelne Verfahren weist spezifische Blindbereiche auf – die UT besitzt eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenfehlern, die MT erfasst ausschließlich Oberflächen- und oberflächennahe Fehler, und die RT unterliegt einsatzbedingten Strahlenschutzbeschränkungen. Erst das Zusammenspiel der drei Methoden gewährleistet eine vollständige Abdeckung aller relevanten Fehlerbereiche.

Prüfintervalle und Bewertungskriterien

Die Prüfintervalle für Schweißnähte am Hauptträger von Brückenkranen sind nicht starr festgelegt, sondern werden dynamisch an die Triebwerksgruppe, die Nutzungsdauer und die Betriebsumgebung angepasst. Die Sicherheitstechnische Inspektionsvorschrift für Hebezeuge schreibt differenzierte Intervalle für die zerstörungsfreie Prüfung je nach Triebwerksgruppe vor. Bereits im Fertigungsstadium müssen Stumpfnähte am Hauptträger zu 100 % einer Ultraschallprüfung sowie ergänzend einer Durchstrahlungsprüfung (RT) an mindestens 10 % der Nahtlänge unterzogen werden. Bei wiederkehrenden Prüfungen im Betrieb richtet sich der Stichprobenumfang nach der jeweiligen Triebwerksgruppe.

Hinsichtlich der Bewertungskriterien gilt: Jeder Riss – unabhängig von seiner Tiefe – führt zur Nichtannahme. Eine abweichende Freigabe mit der Begründung, ein „kleiner Riss beeinträchtige die Nutzung nicht“, ist unzulässig. Innere Fehler in der Schweißnaht werden anhand ihrer Äquivalentgröße bewertet: Einzelne Fehler mit einer Äquivalentgröße von nicht mehr als 2 mm und einem Abstand von mindestens 20 mm zum nächsten Fehler gelten als zulässig. Überschreitet die Äquivalentgröße 3 mm, ist eine Nacharbeit erforderlich. Oberflächennahe Fehler (Tiefe nicht mehr als 2 mm) werden vorrangig mittels Magnetpulverprüfung (MT) verifiziert, um eine Fehlererkennung im toten Winkel der Ultraschallprüfung auszuschließen.

Rissinstandsetzung: Verfahren und Verifizierung

Wird ein Riss in der Schweißnaht festgestellt, richtet sich die Wahl des Instandsetzungsverfahrens nach Tiefe, Länge und Position des Risses. Gemäß ISO 24817 – Technische Spezifikation für die Instandsetzung von Stahlkonstruktionen an Kranen muss der Instandsetzungsprozess dem geschlossenen Regelkreis „Entfernen – Bestätigen – Nachschweißen – Verifizieren“ folgen. Das Überspringen eines einzelnen Schritts kann zum Fehlschlag der Reparatur führen oder sogar schwerwiegendere Sekundärrisse verursachen.

Die Kernschritte der Instandsetzungsarbeiten sind:

Schritt 1: Entfernen des Fehlers durch Kohlestabbogen-Fugen – Verwendung eines Kohlestabs mit 6–8 mm Durchmesser bei einem Strom von 250–350 A. Das Fugen erfolgt schichtweise entlang des Rissverlaufs, wobei die Fugentiefe mindestens 3 mm über die Rissspitze hinausgeht und sich beidseitig jeweils mindestens 20 mm über den sichtbaren Riss hinaus erstreckt. Anschließend wird die Fuge mit einem Winkelschleifer bis auf blankes Metall geschliffen; die Rauheit Ra darf 25 µm nicht überschreiten.

Schritt 2: Bestätigung der vollständigen Entfernung durch PT-Prüfung – Auf die geschliffene Fugenoberfläche wird ein Eindringmittel aufgetragen (Einwirkzeit mindestens 10 Minuten). Nach der Entwicklung darf keine Anzeige auf verbliebene Risse vorliegen. Ist eine Anzeige vorhanden, wird zu Schritt 1 zurückgekehrt und die Entfernung fortgesetzt, bis die PT-Prüfung vollständig bestanden ist. Dieser Schritt ist das entscheidende Qualitätstor, um zu verhindern, dass ein Riss „im Inneren der Naht zugeschweißt“ wird.

Schritt 3: Erneutes Schweißen – Verwendung eines zum Grundwerkstoff passenden Schweißzusatzes (für Q355B: Schweißdraht ER50-6, Durchmesser 1,2 mm). Geschweißt wird im CO2-Schutzgasschweißen oder Mischgas-Schutzgasschweißen mit folgenden Parametern: Strom 200–260 A, Spannung 24–28 V, Schweißgeschwindigkeit 250–350 mm/min, Zwischenlagentemperatur nicht über 150 °C. Mehrlagiges Schweißen in mehreren Lagen; nach jeder Lage wird die Naht durch Hammerung zur Spannungsentlastung bearbeitet.

Schritt 4: UT-Nachprüfung nach dem Schweißen – Nach dem Abkühlen der Schweißnaht auf Raumtemperatur (nach 24 Stunden) erfolgt eine 100-%-Ultraschallprüfung. Die Bewertung erfolgt nach Norm GB/T 11345, Anforderungsstufe I. Wird an derselben Stelle erneut ein Fehler festgestellt, ist eine weitere Nacharbeit zulässig, jedoch darf die Gesamtzahl der Nacharbeiten 2 nicht überschreiten. Bei mehr als 2 Nacharbeiten ist der Konstrukteur des Originalbauwerks hinzuzuziehen; gegebenenfalls muss die gesamte Naht herausgetrennt und die Platte neu zusammengesetzt werden.

Rissprävention und Schweißnaht-Monitoring

Die beste Strategie zur Beherrschung von Schweißnahtrissen lautet: „Vorbeugen ist besser als Prüfen, Prüfen ist besser als Reparieren.“ Bereits in der Konstruktionsphase können folgende Maßnahmen die Wahrscheinlichkeit von Rissen in Schweißnähten deutlich reduzieren: Verwendung von Verbindungen mit höherer Ermüdungsdetailkategorie (z. B. durchgeschweißte Stumpfnähte anstelle von Kehlnähten), Anordnung der Schweißnähte außerhalb hochbeanspruchter Zonen im Strukturentwurf, Beseitigung von Eigenspannungen durch Wärmenachbehandlung oder Ultraschall-Schlagbehandlung sowie das Schleifen der Nahtzehe zu einem glatten Übergangsradius (mindestens 3 mm), um Spannungskonzentrationen zu verringern.

Für bereits in Betrieb befindliche Brückenkrane ist die Führung einer Schweißnaht-Gesundheitsakte ein wirksames Managementinstrument. Jedes UT-Ergebnis wird unter der jeweiligen Nahtnummer dokumentiert, sodass die Entwicklung der Fehleranzeigen an derselben Nahtposition über die Zeit verfolgt werden kann. Wenn bei zwei aufeinanderfolgenden Prüfungen ein Anstieg der Äquivalentgröße an derselben Naht um mehr als 50 % festgestellt wird – selbst wenn der Wert von 3 mm (Nacharbeitsschwelle) noch nicht erreicht ist –, sollte eine vorbeugende Nacharbeit frühzeitig eingeleitet werden, um eine plötzliche Rissausbreitung zwischen zwei regelmäßigen Inspektionen zu vermeiden.

Abnahmeklassen für Schweißnahtqualität im Vergleich

Häufig gestellte Fragen

Kelude Schwerindustrie engagiert sich in der Sicherheitsforschung an Metallkonstruktionen von Brückenkranen und bietet Industriekunden Komplettlösungen von der zerstörungsfreien Schweißnahtprüfung bis zur Rissinstandsetzung.