Schweißverzug bei Sonderkran mit großer Spannweite kontrollieren
Kernpunkte der Schweißverformungskontrolle am Hauptträger von Sonderkranen mit großer Spannweite: Vorbiegung durch Gegenverformung 20–40 mm, Längsschrumpfung 0,3–1 mm/m, Querschrumpfung 0,5–2 mm/m. Die Schweißreihenfolge folgt dem Prinzip „erst Stumpfnähte, dann Kehlnähte; erst Mitte, dann Rand“ – Abschnittsweises Schweißen in Rückwärtsrichtung, jeder Abschnitt 300–500 mm. Bei Blechdicken über 25 mm ist eine Vorwärmung auf 50–200 °C erforderlich. Kelude Schwerindustrie setzt bei der Fertigung von Sonderkran-Hauptträgern eine Kombination aus symmetrischem Schweißen, Flammrichten und Vibrationsspannungsarmglühen ein, um die Schweißverformung innerhalb der Toleranzen der Norm DIN 15018 zu halten.
Der Hauptträger von Sonderkranen mit großer Spannweite hat in der Regel einen Kastenträger-Querschnitt mit einer Länge von 22,5–40 m, Stegblechdicken von 6–12 mm und Flanschblechdicken von 10–25 mm. Die lokale Erwärmung und anschließende Abkühlung beim Schweißen führt zu einer Schrumpfung im Nahtbereich, was Längs- und Querschrumpfung sowie Winkelverformung am Hauptträger verursacht. Bei Sonderkranen ist die Kontrolle der Schweißverformung aufgrund der großen Spannweite und der nicht genormten Querschnittsabmessungen deutlich anspruchsvoller als bei Standardkranen. Eine unzureichende Kontrolle kann zu unzureichender oder übermäßiger Überhöhung des Hauptträgers, übermäßiger seitlicher Durchbiegung oder Wellenverformung des Stegblechs führen – mit direkten Auswirkungen auf Betriebsverhalten und Sicherheit des Krans. Dieser Beitrag erläutert systematisch die Entstehungsmechanismen der Schweißverformung, Kontrollmaßnahmen und Verfahren zur Spannungsarmglühung.
Schweißverzug: Entstehungsmechanismen und Klassifizierung
Die Ursache für Schweißverformungen am Kastenträger liegt in den Schrumpfspannungen, die beim Abkühlen der Schweißnaht entstehen. Während des Schweißens wird der Nahtbereich auf Schmelztemperatur (ca. 1.500 °C) erhitzt, während das umgebende Grundmaterial deutlich kühler bleibt – es entsteht ein ungleichmäßiges Temperaturfeld. Beim Abkühlen schrumpft die Schweißnaht, wird jedoch durch das kühlere umliegende Material behindert, wodurch Eigenspannungen entstehen. Überschreiten diese Eigenspannungen die Streckgrenze des Grundmaterials, kommt es zu plastischer Verformung. Die Schweißverformungen am Hauptträger großer Spannweite lassen sich nach ihrer Richtung einteilen: Längsschrumpfung (Verkürzung in Längsrichtung ca. 0,3–1 mm/m), Querschrumpfung (Verkürzung in Breitenrichtung ca. 0,5–2 mm/m) und Winkelverformung (Biegung des Flanschblechs um 0,5–2 Grad).
Die Kontrolle der Schweißverformung am Hauptträger von Sonderkranen erfordert ein auf die jeweilige Struktur abgestimmtes Schweißverfahren. Beim Kastenträger sind die vier Längskehlnähte (obere und untere Flansch-Steg-Nähte) die maßgebenden Schweißnähte; die Querschrumpfung jeder Naht addiert sich. Werden die vier Nähte ohne kontrollierte Reihenfolge nacheinander geschweißt, entsteht eine deutliche Biegeverformung – die zuerst geschweißte Naht zieht den Träger zu ihrer Seite. Kelude Schwerindustrie simuliert die zu erwartende Verformung rechnerisch per Computer und bringt bereits bei der Montage eine Gegenverformung auf, um die Schweißverformung zu kompensieren.
Gegenverformung und kontrollierte Schweißreihenfolge
Gegenverformung bedeutet, dass beim Zusammenbau des Hauptträgers eine der zu erwartenden Schweißverformung entgegengesetzte Verformung eingestellt wird, sodass sich beide nach dem Schweißen gegenseitig aufheben. Die Vorbiegung (Überhöhung) bei Kastenträgern großer Spannweite wird üblicherweise mit 20–40 mm angesetzt (Richtwert: 1/1.500 bis 1/1.000 der Spannweite) und über die Höheneinstellung der Schweißauflage realisiert. Die seitliche Gegenverformung wird mit 5–10 mm angesetzt. Die Höhe der Gegenverformung ist abhängig von der Menge des abgeschmolzenen Schweißguts, der Blechdicke, der Lagenzahl und der Wärmeeinbringung pro Schweißnaht.
Die Schweißreihenfolge ist das entscheidende prozesstechnische Mittel zur Verformungskontrolle. Empfohlene Reihenfolge: 1. Stumpfnähte beim Zuschnitt (Blechverbindungen); 2. Kehlnähte Stegblech–unteres Flanschblech; 3. Längssteifen–Stegblech-Nähte; 4. Quersteifen-Nähte (im Wechsel/intervallweise); 5. Kehlnähte Stegblech–oberes Flanschblech (zuletzt). Jede Naht wird abschnittsweise in Rückwärtsrichtung geschweißt, Abschnittslänge 300–500 mm, mit versetzten Intervallen. Jede Naht wird von mindestens zwei Schweißern symmetrisch von der Mitte zu den Enden ausgeführt. Die Schweißgeschwindigkeit wird auf 20–35 cm/min geregelt, gleichmäßig und ohne lokale Überhitzung.
Vorwärmung, Nachwärmung und Spannungsarmglühen
Vorwärmung reduziert die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht, vermindert die Bildung von Härtungsgefüge und senkt die Eigenspannungen. Gemäß der Schweißnorm für Stahlkonstruktionen (DIN EN 1011-2): Bei Blechdicken unter 25 mm ist keine Vorwärmung erforderlich; bei 25–40 mm auf 50–100 °C; bei 40–60 mm auf 100–150 °C; über 60 mm auf 150–200 °C. Die Vorwärmzone erstreckt sich jeweils 100 mm beidseitig der Schweißnaht. Die Blechdicken am Hauptträger von Sonderkranen liegen üblicherweise im Bereich 6–25 mm, sodass in den meisten Fällen keine Vorwärmung nötig ist. Bei Winterarbeiten (Umgebungstemperatur unter 0 °C) wird jedoch auch bei Blechdicken unter 25 mm eine Vorwärmung auf 30–50 °C empfohlen.
Nachwärmung zur Diffusionswasserstoff-Ausgasung und Vibrationsspannungsarmglühen sind wirksame Verfahren zur Eigenspannungsreduzierung. Die Nachwärmtemperatur beträgt 200–300 °C, die Haltezeit wird mit 1–2 min pro mm Blechdicke berechnet. Beim Vibrationsspannungsarmglühen wird über einen Erreger eine Wechsellast auf den Hauptträger aufgebracht, wodurch Eigenspannungen abgebaut und neu verteilt werden. Kelude Schwerindustrie setzt bei der Fertigung von Sonderkran-Hauptträgern bevorzugt das Vibrationsspannungsarmglühen ein – es ist effizient, energiearm und reduziert die Eigenspannungen um 40–60 %. Bei Übergrößen mit mehr als 30 m Länge kann alternativ das Flammrichten eingesetzt werden, wobei die Erwärmungstemperatur 650 °C (Umwandlungstemperatur des Stahls) nicht überschreiten darf.
Maßnahmen zur Schweißverformungskontrolle im Vergleich
| Steuerungsmaßnahmen | Prinzip | Steuerungswirkung | Anwendungsbereich |
|---|---|---|---|
| Gegen-VerformungVerfahren | Voreinstellung in GegenrichtungVerformungKompensationSchweißverzug | HubbildungAbweichungkleiner als5mm | alle Kasten-/I-Träger |
| symmetrischSchweißen | Kompensation durch gleichzeitiges Schweißen auf beiden SeitenVerformung | VerformungVerformungReduzierung60%~80% | Zweipersonen-Kastenträger |
| Abschnittsweises Rückschweißen | 300~500mmAbschnittsweises Intervallschweißen | Reduzierung der Querschrumpfung30%~50% | langSchweißnaht(größer als2m) |
| Flammrichten | Lokales WärmeschrumpfenVerformungZone | nach dem RichtenAbweichungkleiner als2mm/m | Schweißennachträgliches Nachrichten |
| Schwingungsstabilisierung | Aufbringen von Wechsel-LastSpannungsabbau | Reduzierung der Eigenspannungen40%~60% | Länge kleiner als40mZweipersonen-Hauptträger |
| VorwärmungNachwärmen | Reduzierung der EigenspannungenKühlungGeschwindigkeitBeseitigung von Härtungsgefüge | RissReduzierung der Auftretenswahrscheinlichkeit80%über | Blechdicke größer als25mmoder bei niedrigen Temperaturen |
| Längsschrumpfung pro Meter Schweißnaht Längsschrumpfung0.3~1mm.groß Spannweite I-Träger(30m)vier lange Schweißnaht Gesamtschrumpfung kann erreichen10~40mm, Zuschnitt Zugabe muss vorgesehen werden. | Querschrumpfung pro Schweißnaht Kehlnaht Querschrumpfung0.5~2mm.vier Kehlnaht Gesamtschrumpfung2~8mm, Einfluss Hauptträger Breite Maße. | Winkel Verformung Flanschblech Schweißen Winkel Verformung0.5~2Grad.durch Gegen-Verformung Schweißauflage oder Vorbiegen Flanschblech Kontrolle, Abweichungkleiner als0.5Grad. |
| Kontrolle der Hubbildung Sonder-Überhöhung des Hauptträgersannehmen L/1000~L/1500.Schweißennach dem Richten Vorbiegung Abweichung Anforderung: kleiner oder gleich5mm. | Schweißen Werkstoff Q355B (≈S355JR)Grundwerkstoff abgestimmt ER50-6Schweißdraht oder E5015Schweißelektrode.Schweißzusatz Festigkeitnicht höher als Grundwerkstoff, Kontrolle Schweißen Wärmeeinbringung15~25kJ/cm. | Inspektion Norm Schweißnaht Qualität nach GB/T 11345Stufe 2Abnahme.Hauptträger Durchbiegung Qualität nach Norm DIN 15018Mitte5.5Abschnittsprüfung. |
Schweißverfahrensplanung für Sonderhauptträger
Bei Kelude Schwerindustrie gliedert sich die Schweißverfahrensplanung für großspannende Sonderhauptträger in folgende Schritte:
1. Schweißverfahrensprüfung (WPQR) – Durchführung der Verfahrensprüfung nach DIN 15018 zur Festlegung der Schweißparameter und Zusatzwerkstoffe.
2. Verformungsprognose – Ermittlung der zu erwartenden Verformung mittels Finite-Elemente-Analyse oder empirischer Formeln; Ableitung von Gegenverformungswerten und Schweißreihenfolge.
3. Montage und Ausrichtung der Schweißvorrichtung – Einstellung von Vorbiegung und seitlicher Durchbiegung der Vorrichtungsauflage entsprechend den Gegenverformungswerten.
4. Probeschweißung – Verifizierung der Schweißparameter und Gegenverformungswerte an gleichdicken Probeblechen.
5. Serienschweißung – Ausführung gemäß festgelegter Schweißreihenfolge, symmetrisches Schweißen, Abschnitts-Rückschritt-Schweißen.
6. Schweißnahtprüfung – Ultraschallprüfung sowie Koordinatenmessung zur Erfassung der Verformung.
Die konstruktive Auslegung erfolgt nach DIN 15018 (Kranbau), die Schweißausführung nach DIN EN ISO 15614 und die Schweißtechnischen Lieferbedingungen nach DIN 18800. Kelude Schwerindustrie hält strikt an der Schweißverfahrensprüfung fest – sämtliche Schweißverfahren für Sonderhauptträger werden durch Abnahmeprüfungen qualifiziert. Zur Hauptträgerkonstruktion siehe Hauptträgerkonstruktion des Brückenkrans – Konstruktions- und FEM-Analyse. Weitere Details zur Schweißtechnik finden Sie unter Schweißverfahren und Schweißnahtqualität bei Kranhauptträgern.
Häufige Fragen zur Schweißverformung
F: Was tun bei zu großer Abweichung der Vorbiegung nach dem Schweißen?
A: Bei zu geringer Vorbiegung (kleiner als L/2000 oder Durchbiegung) wird die Mitte des unteren Flanschblechs mit der Flamme erwärmt, um durch thermische Schrumpfung die Vorbiegung wiederherzustellen. Die Erwärmungsbreite darf 1/3 der Flanschblechbreite nicht überschreiten, die Temperatur wird auf 600–650 °C begrenzt und mit einem Punktpyrometer überwacht. Bei zu großer Vorbiegung (größer als L/800) wird die Mitte des oberen Flanschblechs erwärmt. Das Flammrichten ist abschnittsweise durchzuführen; je Richtvorgang max. 5 mm. Nach dem Richten erfolgt natürliche Kühlung – Wasserabschrecken ist untersagt. Die Flammricht-Fachkräfte von Kelude Schwerindustrie sind nach DIN EN ISO 15614 zertifiziert.
F: Schweißverformungskontrolle oder nachträgliches Richten – was ist besser?
A: Die Schweißverformungskontrolle (prozessseitige Vorbeugung) ist dem nachträglichen Richten deutlich überlegen: Die Verformung bleibt kontrollierbar, die mechanischen Eigenschaften werden nicht beeinträchtigt, und die Effizienz ist höher. Nachträgliches Richten (Flamm- oder mechanisches Richten) erzeugt sekundäre Eigenspannungen und lokale Gefügeveränderungen – es ist nur als letzte Maßnahme zu betrachten. Nach den Qualitätsstandards von Kelude Schwerindustrie muss die Erstprüfquote der Hauptträger ≥ 95 % betragen, d. h. mehr als 95 % der Hauptträger benötigen kein nachträgliches Richten. Entscheidend für eine gute Schweißverformungskontrolle sind eine sorgfältige Verfahrensprüfung und die Berechnung der Gegenverformung vor dem Schweißen.
F: Wie lassen sich Wellen im Stegblech großer Kastenträger nach dem Schweißen beheben?
A: Wellen im Stegblech entstehen durch Querschrumpfung beim Schweißen, die zum Beulen dünner Bleche führt – typisch bei Stegblechdicken von 6–8 mm und Steifenabständen über 1,5 m. Vorbeugemaßnahmen: Steifenabstand auf 1,2–1,5 m begrenzen, Verhältnis Blechdicke zu Spannweite ≥ 1/200. Behandlung: Flammenerwärmung der Wellenberge, ausgehend vom Wellenscheitel nach außen fortschreitend; Erwärmungsdurchmesser je Stelle 30–50 mm. Nach dem Richten darf die Ebenheitsabweichung des Stegblechs das Zweifache der Blechdicke nicht überschreiten.
F: Worauf ist beim Schweißen im Winter zu achten?
A: Bei Umgebungstemperaturen unter 0 °C sind folgende Maßnahmen zwingend: ① Vorwärmung – auch bei Blechdicken unter 25 mm auf 30–50 °C vorwärmen; ② Windschutz – Schweißbereich mit Windschutzwänden abschirmen, Windgeschwindigkeit unter 2 m/s; ③ Verzögerte Abkühlung – Schweißnahtbereich mit Isoliermatten abdecken, Abkühlzeit mindestens 1 Stunde; ④ Elektrodenmanagement – Schweißelektroden vor Verwendung gemäß Herstellerangabe backen und warmhalten, Schweißdraht von Öl und Rost reinigen. Gemäß DIN EN ISO 15614 ist Schweißen an Stahlkonstruktionen bei Temperaturen unter −10 °C untersagt.
