Schweißroboter in der Kranfertigung: Präzisionskontrolle

Im Kranbau entscheidet die Schweißqualität direkt über die Strukturfestigkeit, die Ermüdungslebensdauer und die Betriebssicherheit der Anlagen. Als einer der führenden Kranhersteller in China hat Kelude Schwerindustrie in den letzten Jahren die Automatisierung und intelligente Modernisierung der Schweißtechnik konsequent vorangetrieben und eine Schweißroboter-Fertigungslinie für Kernbauteile wie Hauptträger, Kopfträger und Katzfahrwerkrahmen aufgebaut. Durch die tiefe Integration von Industrierobotertechnik und Schweißverfahrenstechnik realisiert Kelude eine durchgängige digitale Steuerung des gesamten Prozesses – von der Schweißvorbereitung über den Schweißprozess bis zur Nachprüfung. Die Erstabnahmequote der Schweißnähte liegt bei über 98,5 %. Die Nahtqualität erfüllt die höchsten Anforderungen der Normen DIN EN ISO 15614 (Schweißverfahrensprüfung), DIN EN ISO 17640 (Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Ultraschallprüfung) und DIN EN ISO 17636 (Durchstrahlungsprüfung von Schweißverbindungen). Dieser Beitrag erläutert systematisch die technische Praxis von Kelude in der automatisierten Kranschweißung entlang der fünf Dimensionen: Auswahl der Schweißverfahren, Anordnung der Roboterlinie, Optimierung der Prozessparameter, Montagegenauigkeit und Online-Prüfung der Nahtqualität.

Schweißverfahren für Kranstrukturbauteile im Überblick

Die Metallstruktur eines Krans besteht hauptsächlich aus geschweißten Strukturbauteilen wie Hauptträger, Kopfträger, Katzfahrwerkrahmen, Stützbeinen und Querträgern. Jedes Bauteil unterscheidet sich hinsichtlich Nahtform, Spannungszustand und Schweißanforderungen. Kelude wählt für die unterschiedlichen Bauteil- und Nahttypen differenzierte Schweißverfahren, um eine optimale Balance zwischen Schweißeffizienz, Qualität und Kosten zu erreichen. Die folgende Tabelle fasst die Verfahrenswahl für die wichtigsten Kranstrukturbauteile zusammen.

Die Auswahl der Schweißverfahren bei Kelude Schwerindustrie erfolgt gemäß der Norm GB/T 19869.1 „Schweißverfahrensprüfung". Vor dem Einsatz eines Schweißverfahrens in der Serienproduktion ist eine Schweißverfahrensprüfung (WPQR) zwingend erforderlich. Für neu entwickelte Parameterkombinationen werden zusätzlich mechanische Prüfungen (Zug-, Biege- und Kerbschlagbiegeversuch) sowie makroskopische Gefügeprüfungen durchgeführt, um sicherzustellen, dass die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung mindestens denen des Grundwerkstoffs entsprechen.

Roboterzellen-Layout für Schweißfertigung

Die Schweißroboterlinie von Kelude Schwerindustrie ist nach dem Prinzip der flexiblen, zellenbasierten Fertigung aufgebaut. Entsprechend den Abmessungen der Kranstrukturbauteile und den schweißtechnischen Anforderungen werden unterschiedliche Roboterschweißzellen konfiguriert. Am Beispiel der Hauptträger-Schweißlinie setzt sich diese aus folgenden Stationen zusammen: Die Schweißvorbereitungsstation nutzt 3D-Laserscanner und Digital-Twin-Technologie zur Online-Erfassung von Spaltmaß und Kantenversatz zwischen Stegblech und Flanschblech des Hauptträgers. Die Montagegenauigkeit wird dabei auf ±1,0 mm begrenzt. Die Portalschweißzelle ist mit zwei FANUC M-710iC/50-Schweißrobotern ausgestattet (Traglast 50 kg, Arbeitsradius 2050 mm). In Kombination mit einem 5 m × 3 m großen Positionierer werden die vier Längsnähte des Hauptträgers in Wannenposition geschweißt. In der Steifen-Schweißzelle übernehmen zwei KUKA KR16-Roboter mit Laser-Vision-Nahtführungssystem die automatische Fertigung der Mehrlagen-Kehlnaht zwischen Steife und Stegblech. Die Kopfträger-Schweißzelle ist mit einem ABB IRB2600-Roboter für Stumpf- und Kehlnahtverbindungen ausgestattet. Die Schweißzelle für den Katzfahrwerkrahmen verwendet einen kollaborativen Roboter mit sechs Achsen, der die komplexen räumlichen Schweißnähte des Katzfahrwerkrahmens abdeckt. Der Werkstücktransport zwischen den Stationen erfolgt über AGV (Automatisches Transportfahrzeug) und RGV (Rail Guided Vehicle). Die Liniensteuerung ist an ein MES (Manufacturing Execution System) angebunden, wodurch Produktionsaufträge automatisch verteilt und Schweißdaten in Echtzeit erfasst werden. Der Automatisierungsgrad der Schweißroboterlinie von Kelude Schwerindustrie liegt bei über 85 %, die Produktionskapazität pro Schicht ist im Vergleich zum manuellen Schweißen um das 3- bis 5-Fache gesteigert.

Optimierung der Schweißparameter

Die Schweißparameter sind der entscheidende Faktor für Nahtqualität und Schweißeffizienz. Kelude Schwerindustrie hat eine Optimierungsplattform auf Basis der Response-Surface-Methode (RSM) und Genetischer Algorithmen (GA) etabliert. Berücksichtigt werden die Parameter Schweißstrom (I), Lichtbogenspannung (U), Schweißgeschwindigkeit (v), Drahtausschlauflänge (ESO) und Schutzgasdurchfluss (Q). Am Beispiel des Unterpulverschweißens von Flanschblech und Stegblech des Hauptträgers liegt das optimierte Parameterfenster bei: Schweißstrom 550–650 A (Gleichstrom, Gegenpol), Lichtbogenspannung 32–36 V, Schweißgeschwindigkeit 35–45 cm/min, Drahtdurchmesser 4,0 mm, Drahtausschlauflänge 25–35 mm, Pulverschichtdicke 30–40 mm. Innerhalb dieses Fensters stabilisiert sich der Nahtformkoeffizient (Nahtbreite / Nahttiefe) im Bereich von 1,2–1,6. Das makroskopische Gefüge der Schweißnaht besteht aus feinem nadelförmigem Ferrit und Proeutektoidferrit. Die Härte der Schweißnaht liegt kontrolliert bei HV220–280, die Wärmeeinbringung wird auf 1,2–1,8 kJ/mm begrenzt. Für das Schutzgasschweißen (GMAW) wurde von Kelude Schwerindustrie ein eigenentwickeltes Doppelpuls-Verfahren eingesetzt: Niederfrequente Pulse (1–3 Hz) steuern die Schmelzbadoszillation zur Verbesserung der Durchschweißung, hochfrequente Pulse (100–200 Hz) ermöglichen einen stabilen Sprühlichtbogenübergang. Dadurch werden Durchbrand und Spritzer beim Schweißen dünner Bleche wirksam vermieden. Jede Änderung der Schweißparameter muss gemäß GB/T 19869.1 durch eine Verfahrensprüfung validiert und als formelles WPS-Dokument freigegeben werden, bevor sie in der Serienproduktion eingesetzt werden darf.

Präzisionskontrollsystem für die Schweißmontage

Die Montagegenauigkeit vor dem Schweißen ist ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Schweißqualität und den Schweißverzug. Kelude Schwerindustrie hat ein dreistufiges Präzisionskontrollsystem für die Schweißmontage etabliert: Erstens, die Kontrolle der Zuschnittgenauigkeit – Bleche werden mittels Feinplasma- oder Laserschneiden zugeschnitten. Die Rechtwinkligkeit der Schnittfläche liegt bei ≤ 0,5°, die Maßtoleranz erfüllt die Anforderungen der Norm GB/T 1804-m, die Toleranz für den Fasenwinkel beträgt ±2,5°. Zweitens, die Kontrolle der Montagegenauigkeit – mittels 3D-Laserscanner werden Stegblech und Flanschblech online geprüft. Das Spaltmaß wird auf 0–2,0 mm (bei Blechdicke ≤ 20 mm) bzw. 0–2,5 mm (bei Blechdicke > 20 mm) begrenzt, der Kantenversatz auf 0,5 mm (bei Blechdicke ≤ 20 mm) bzw. 1,0 mm (bei Blechdicke > 20 mm). Teile außerhalb der Toleranz werden manuell nachbearbeitet oder ausgeschleust. Drittens, die Kontrolle der Heftschweißung – die automatische Roboter-Heftschweißung ersetzt das manuelle Heften. Die Heftnähte sind 30–50 mm lang, der Abstand beträgt 300–500 mm. Der Querschnitt der Heftnaht entspricht etwa 1/3 bis 1/2 der endgültigen Schweißnaht, wodurch eine ausreichende Festigkeit während des automatischen Schweißprozesses gewährleistet ist und Maßänderungen durch unzureichende Heftung vermieden werden. Das Kontrollsystem ist in das MES integriert; die Prüfdaten jedes Arbeitsschritts werden automatisch in die Qualitätsdatenbank übertragen und ermöglichen eine lückenlose Rückverfolgbarkeit vom Zuschnitt bis zur Auslieferung. Durch diese strenge Kontrolle erreicht die Erstprüfquote der Hauptträger-Schweißungen bei Kelude Schwerindustrie stabil über 98 %, die Nacharbeitsquote liegt unter 2 % – deutlich besser als der Branchendurchschnitt.

Online-Prüfung der Schweißnahtqualität

Die Online-Prüfung der Schweißnahtqualität ist ein zentrales Qualitätssicherungselement der Schweißroboterlinie. Kelude Schwerindustrie hat mehrere Online-Prüftechnologien in die Linie integriert: Das Schweißprozessüberwachungssystem erfasst in Echtzeit Parameter wie Schweißstrom, Lichtbogenspannung, Drahtvorschubgeschwindigkeit und Schweißgeschwindigkeit. Diese werden mit dem Standard-Parameterfenster abgeglichen; bei Überschreitung der festgelegten Schwellwerte wird ein Alarm ausgelöst und die Abweichung dokumentiert. Das Laser-Vision-Nahtführungs- und Profilmesssystem ist am Roboterbrenner integriert. Es verfolgt die Nahtposition in Echtzeit (Genauigkeit ±0,2 mm) und misst gleichzeitig Nahtüberhöhung, Einschmelzbreite und Einbrandkerben an der fertigen Naht mittels Laserlinienprojektion. Das optische Inspektionssystem für Oberflächenfehler verwendet hochauflösende Industriekameras und KI-basierte Bilderkennungsalgorithmen für eine 100-%-Prüfung der Nahtoberfläche. Die Erkennungsrate für Poren, Schlackeneinschlüsse, Risse, Einbrandkerben und Schweißperlen liegt bei über 95 %. Bei verdächtigen Nähten, die von der Online-Prüfung markiert wurden, führt Kelude Schwerindustrie eine Ultraschallprüfung (UT) gemäß GB/T 11345 „Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Ultraschallprüfung" zur Nachprüfung durch. Bei Bedarf wird eine Durchstrahlungsprüfung (RT) gemäß GB/T 3323 „Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Durchstrahlungsprüfung" zur Bestätigung eingesetzt. Alle Online-Prüfdaten werden mit der Schweißnaht-ID (QR-Code) verknüpft und in der Qualitätsdatenplattform von Kelude Schwerindustrie gespeichert. So entsteht ein vollständiges Qualitätsdatenarchiv, das von den Schweißprozessparametern bis zum endgültigen Prüfergebnis alle relevanten Informationen umfasst.

Kontrolle und Korrektur von Schweißverzug

Schweißverzug ist eine unvermeidbare Herausforderung im Kranbau und beeinträchtigt direkt die Maßgenauigkeit und Montagequalität der Struktur. Kelude Schwerindustrie verfolgt das Prinzip „Vorbeugung vor Korrektur" und hat ein systematisches Kontrollkonzept etabliert. Auf der Präventionsebene kommen folgende Maßnahmen zum Einsatz: Optimierung der Schweißreihenfolge – die Hauptträger werden symmetrisch von der Mitte zu den Enden geschweißt, zuerst das Flanschblech, dann das Stegblech. Dadurch wird die Wärmeeinbringung gleichmäßig verteilt und Gesamtbiege- sowie Winkelverzug reduziert. Kontrolle der Wärmeeinbringung – bei gleichbleibender Nahtqualität wird eine möglichst geringe Wärmeeinbringung angestrebt, begrenzt auf 1,0–1,8 kJ/mm, um die Schrumpfung in der Wärmeeinflusszone zu minimieren. Vorhalten von Gegenverformung – basierend auf FEM-Schweißverzugssimulationen und langjähriger Datenerfassung werden für Hauptträger, Kopfträger und andere kritische Strukturbauteile Schrumpfzugaben vorgesehen (Längsschrumpfung 0,5–1,0 mm pro Meter, Querschrumpfung 0,3–0,8 mm pro Meter), sodass die Endmaße nach dem Schweißen innerhalb der Toleranz liegen. Auf der Korrekturebene setzt Kelude Schwerindustrie zwei Verfahren ein: Flammrichten – Erwärmung auf der Nahtrückseite entlang der Schweißnaht (600–800 °C) zur Korrektur von Winkel- und Biegeverzug durch thermische Schrumpfung. Mechanisches Richten – Kaltrichten mit hydraulischen Richtpressen und Pressen, geeignet für lokale Verformungen bei Blechdicken unter 20 mm. Das Kontrollsystem von Kelude Schwerindustrie hält die Geradheit des Hauptträgers nach dem Schweißen auf ≤ L/2000 (L = Hauptträgerlänge) und die Diagonaldifferenz des Kopfträgers auf ≤ 5,0 mm – deutlich enger als die Anforderungen der Norm DIN 15018.

Häufig gestellte Fragen

Weiterführende Informationen: Ganzmaschinen-Last- und Zuverlässigkeitsprüfung auf drei Versuchsplattformen | Analyse der Engineering-Umsetzung vom Simulationsmodell bis zur Serienproduktion