Wie lassen sich Schweißverformungen bei maßgefertigten Kranen mit großer Spannweite kontrollieren? Umgekehrte Schweißreihenfolge und Verfahren zur Spannungsentlastung
📌 Wichtige Punkte zur Kontrolle der Schweißverformung am Hauptträger von Sonderkranen mit großer Spannweite: Als Vorverformung ist eine Vorwölbung von 20 bis 40 mm vorzusehen, die Längsschrumpfung beträgt 0,3 bis 1 mm/m und die Querschrumpfung 0,5 bis 2 mm/m.Die Schweißreihenfolge folgt dem Prinzip „zuerst Stumpfschweißung, dann Kehlnaht; zuerst Mitte, dann Ränder“, wobei in Abschnitten von jeweils 300 bis 500 mm geschweißt wird. Bei einer Blechdicke von mehr als 25 mm ist eine Vorwärmung auf eine Temperatur von 50 bis 200 Grad Celsius erforderlich. Krude Heavy Industry wendet bei der Herstellung von Sonderanfertigungen für Hauptträger ein kombiniertes Verfahren aus symmetrischem Schweißen, Flammrichtung und Vibrationsalterung an, um die Schweißverformung innerhalb der gemäß GB/T 3811 zulässigen Grenzen zu halten.
Der Hauptträger von nicht standardisierten Kranen mit großer Spannweite weist in der Regel einen Kastenquerschnitt auf, mit einer Länge von 22,5 bis 40 m, einer Stegdicke von 6 bis 12 mm und einer Flanschdicke von 10 bis 25 mm. Die lokale Erwärmung und Abkühlung während des Schweißprozesses führen zu einer Schrumpfung im Schweißnahtbereich, was eine Längs- und Querschrumpfung sowie eine Winkelverformung des Hauptträgers zur Folge hat. Bei Sonderkranen ist die Kontrolle der Schweißverformungen aufgrund der großen Spannweiten und der nicht standardmäßigen Querschnittsabmessungen weitaus schwieriger als bei Standardkranen. Eine unsachgemäße Kontrolle kann zu einer zu geringen oder zu starken Wölbung des Hauptträgers, zu einer übermäßigen seitlichen Durchbiegung sowie zu Wellenverformungen der Stegplatte führen, was sich direkt auf die Leistungsfähigkeit und Sicherheit des Krans auswirkt. In diesem Artikel werden die Entstehungsmechanismen von Schweißverformungen, Kontrollmaßnahmen sowie Verfahren zur Spannungsentlastung systematisch erläutert.
Mechanismen und Klassifizierung von Schweißverformungen
Die Hauptursache für die Schweißverformung bei Kastenprofilen sind die Schrumpfspannungen im Metall des Schweißnahtbereichs während des Abkühlvorgangs. Beim Schweißen wird der Schweißnahtbereich auf Schmelztemperatur (ca. 1500 Grad Celsius) erhitzt, während das umgebende Grundmaterial eine niedrigere Temperatur aufweist, wodurch ein ungleichmäßiges Temperaturfeld entsteht. Beim Abkühlen schrumpft die Schweißnaht, wird jedoch durch das umgebende, kältere Grundmaterial eingeschränkt, wodurch Restzugspannungen entstehen. Wenn die Restspannungen die Streckgrenze des Grundmaterials überschreiten, kommt es zu einer plastischen Verformung. Die Schweißverformung von Hauptträgern mit großer Spannweite lässt sich je nach Richtung in Längsschrumpfung (Verkürzung in Längsrichtung um ca. 0,3–1 mm/m), Querschrumpfung (Verkürzung in Breitenrichtung um ca. 0,5–2 mm/m) und Winkelverformung (Durchbiegung der Flanschbleche um 0,5–2 Grad) unterteilen.
Zur Begrenzung der Schweißverformung bei Hauptträgern von Sonderkranen müssen Schweißverfahren speziell für die jeweilige Konstruktionsform entwickelt werden. Bei Hauptträgern mit Kastenquerschnitt sind die vier Längs-Ecknähte (die Schweißnähte zwischen oberem und unterem Flansch sowie dem Steg) die Hauptschweißnähte, wobei sich die Querkontraktionen der einzelnen Schweißnähte addieren. Werden die vier Schweißnähte nacheinander geschweißt, ohne die Reihenfolge zu steuern, kommt es zu einer deutlichen Biegeverformung des Hauptträgers – die zuerst geschweißte Naht bewirkt eine Biegung des Hauptträgers in diese Richtung. Krude Heavy Industry prognostiziert das Ausmaß der Verformung während des Fertigungsprozesses mittels Computersimulationen und gleicht die Schweißverformung bereits im Montageprozess durch vorzeitiges Aufbringen einer Gegenverformung aus.
Verformungsausgleich und Steuerung der Schweißreihenfolge
Anti-VerformungsmethodeDabei wird bei der Montage des Hauptträgers eine Verformung in entgegengesetzter Richtung zur Schweißverformung vorgewählt, sodass sich die Verformungen nach Abschluss der Schweißarbeiten gegenseitig aufheben. Bei Kastenträgern mit großer Spannweite beträgt die Gegenwölbung in der Regel 20 bis 40 mm (geregelt auf 1/1500 bis 1/1000 der Spannweite) und wird durch die Anpassung der Höhe der Formplatten erreicht. Die Gegenverformung bei der seitlichen Durchbiegung beträgt in der Regel 5 bis 10 mm. Die Größe der Gegenverformung muss unter Berücksichtigung der Auftragsmenge des Schweißnahtmetalls, der Blechdicke, der Anzahl der Schweißnähte und der Schweißenergie umfassend festgelegt werden.
SchweißreihenfolgeDies ist ein entscheidendes Verfahren zur Verformungskontrolle. Die empfohlene Schweißreihenfolge lautet: Im ersten Schritt werden die Stoßnähte der Zuschnitte (Verbindung der Stahlbleche) geschweißt; im zweiten Schritt die Ecknähte zwischen Steg und unterem Flansch; im dritten Schritt die Nähte zwischen den Längsverstärkungsrippen und dem Steg; im vierten Schritt die Nähte der Querverstärkungsrippen (in Abschnitten geschweißt); im fünften Schritt die Ecknähte zwischen Steg und oberem Flansch (als letztes geschweißt). Für jede Schweißnaht wird das segmentweise Schweißen angewendet, wobei die Segmentlänge 300 bis 500 mm beträgt und die Segmente versetzt geschweißt werden. Für jede Schweißnaht sind mindestens zwei Schweißer einzusetzen, die symmetrisch von der Mitte zu beiden Enden hin schweißen. Die Schweißgeschwindigkeit wird auf 20 bis 35 cm/min geregelt, wobei gleichmäßig geschweißt wird, um eine lokale Überhitzung zu vermeiden.
Wärmebehandlung nach dem Vorwärmen und Spannungsabbau
VorheizenDadurch lässt sich die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht verringern, die Bildung von gehärteten Strukturen reduzieren und die Restspannungen in der Schweißnaht senken. Gemäß GB/T 50661-2011 „Norm für das Schweißen von Stahlkonstruktionen“ gilt: Bei einer Blechdicke von weniger als 25 mm ist kein Vorwärmen erforderlich; bei 25–40 mm beträgt die Vorwärmtemperatur 50–100 Grad Celsius; bei 40–60 mm auf 100–150 °C; bei mehr als 60 mm auf 150–200 °C. Die Vorwärmbreite beträgt jeweils 100 mm auf beiden Seiten der Schweißnaht. Die Blechdicke der Hauptträger von Sonderkranen liegt in der Regel im Bereich von 6 bis 25 mm; in den meisten Fällen ist kein Vorwärmen erforderlich. Bei Bauarbeiten im Winter (Umgebungstemperatur unter 0 °C) wird jedoch empfohlen, auch bei einer Blechdicke von weniger als 25 mm auf 30 bis 50 °C vorzuwärmen.
Nachwärmebehandlung zur Wasserstoffentfernung和VibrationsalterungDies ist eine wirksame Methode zum Abbau von Schweißspannungen. Die Nachwärmetemperatur beträgt 200 bis 300 Grad Celsius, wobei die Haltezeit mit 1 bis 2 Minuten pro Millimeter Blechdicke berechnet wird. Bei der Vibrationsalterung wird durch einen Erreger eine wechselnde Belastung auf den Hauptträger ausgeübt, wodurch Restspannungen abgebaut und neu verteilt werden. Krud Heavy Industry setzt bei der Herstellung von Sonderanfertigungen für Hauptträger vorrangig auf die Vibrationsalterung, da diese eine hohe Effizienz bei geringem Energieverbrauch bietet und die Restspannungen nach der Behandlung um 40% bis 60% reduzieren kann. Bei Hauptträgern mit extrem großen Spannweiten von über 30 m kann auch das Flammrichtverfahren angewendet werden, wobei jedoch streng darauf zu achten ist, dass die Erwärmungstemperatur 650 °C (Phasenübergangstemperatur des Stahls) nicht überschreitet.
Vergleich von Maßnahmen zur Begrenzung von Schweißverformungen
| Kontrollmaßnahmen | Prinzip | Regelwirkung | Geltungsbereich |
|---|---|---|---|
| Anti-Verformungsmethode | Voreingestellte Gegenverformung zum Ausgleich von Schweißverformungen | Die Abweichung der Aufwölbung beträgt weniger als 5 mm | Alle Träger mit Kasten- oder I-Profil |
| Symmetrisches Schweißen | Gleichzeitiges Schweißen auf beiden Seiten gleicht Verformungen aus | Reduzierung der Biegeverformung bei 60% bis 80% | Kastenträger für den Zweimannbetrieb |
| Abschnittweises Entlöten | Schweißen in Abschnitten mit einem Abstand von 300 bis 500 mm | Die Querkontraktion verringert sich um 30% bis 50% | Lange Schweißnähte (länger als 2 m) |
| Flammenkorrektur | Bereich, der durch lokale Erwärmung schrumpft und sich verformt | Die Abweichung nach der Korrektur beträgt weniger als 2 mm/m | Nachbearbeitung nach dem Schweißen |
| Vibrationsalterung | Durch Anlegen einer Wechselbelastung werden Spannungen abgebaut | Reduzierung der Restspannung bei 40% bis 60% | Hauptträger mit einer Länge von weniger als 40 m |
| Vorwärmen und anschließendes Erhitzen | Verringerung der Abkühlgeschwindigkeit zur Beseitigung der gehärteten Struktur | Die Rissbildungsrate wurde um mehr als 801 TP3T gesenkt | Plattenstärke über 25 mm oder Umgebungen mit niedrigen Temperaturen |
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Längsschrumpfung Die Längsschrumpfung der Schweißnaht beträgt 0,3 bis 1 mm pro Meter. Bei Trägern mit großer Spannweite (30 m) kann die Gesamtschrumpfung der vier langen Schweißnähte 10 bis 40 mm betragen; beim Zuschnitt muss daher ein Zuschlag einkalkuliert werden. |
Querverzug Jede Ecknaht schrumpft in Querrichtung um 0,5 bis 2 mm. Die vier Ecknähte schrumpfen insgesamt um 2 bis 8 mm, was sich auf die Breite des Hauptträgers auswirkt. |
Winkelverformung Die Schweißwinkelverformung der Flanschbleche beträgt 0,5 bis 2 Grad. Durch den Einsatz von Gegenverformungsvorrichtungen oder vorgebogenen Flanschblechen wird die Abweichung auf weniger als 0,5 Grad begrenzt. |
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Steuerung der Aufwölbung Die Aufwölbung des nicht standardmäßigen Hauptträgers beträgt L/1000 bis L/1500. Die Abweichung der Aufwölbung nach dem Schweißen darf höchstens 5 mm betragen. |
Schweißmaterialien Q355B-Grundwerkstoff in Kombination mit ER50-6-Schweißdraht oder E5015-Schweißelektroden. Die Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs darf die des Grundwerkstoffs nicht überschreiten; die Wärmezufuhr beim Schweißen ist auf 15 bis 25 kJ/cm zu begrenzen. |
Prüfkriterien Die Qualität der Schweißnähte wird gemäß GB/T 11345, Klasse 2, abgenommen. Die Durchbiegung der Hauptträger wird gemäß Abschnitt 5.5 der Norm GB/T 3811-2008 ermittelt. |
Ablauf der Prozessplanung für das Schweißen von Sonderausführung-Hauptträgern
Der Standardprozess von Krude Heavy Industry bei der Auslegung von Schweißverfahren für großspannige, maßgeschneiderte Hauptträger lautet wie folgt:
I. Bewertung von Schweißverfahren– Durchführung einer PQR-Schweißverfahrenbewertung gemäß GB/T 50661 zur Festlegung der Schweißparameter und des Schweißmaterials.
II. Verformungsprognose——Die Verformung wird mittels Finite-Elemente-Analyse oder empirischer Formeln vorhergesagt, um die Gegenverformung und die Schweißreihenfolge zu bestimmen.
III. Montage und Inbetriebnahme des Reifenmontageständers——Die Wölbung und die seitliche Verformung der Reifenhalterungsplatte entsprechend den Gegenverformungswerten anpassen.
IV. Überprüfung durch Probeschweißen——Überprüfung der Schweißparameter und der Rückverformung anhand von Prüfplatten gleicher Dicke.
V. Das eigentliche Schweißen——Die Schweißreihenfolge einhalten, symmetrisch schweißen und abschnittsweise zurückschweißen.
VI. Prüfung nach dem Schweißen——Ultraschallprüfung + Messung der Verformung mittels Koordinatenmessgerät.
Die Konstruktionsnormen basieren auf GB/T 3811-2008 „Konstruktionsnormen für Krane“, GB/T 50661-2011 „Schweißnormen für Stahlkonstruktionen“ und JB/T 10560-2006 „Technische Bedingungen für das Schweißen von Kranen“. Krud Heavy Industry hält sich strikt an das System zur Bewertung von Schweißverfahren; alle Schweißverfahren für nicht standardisierte Hauptträger wurden durch bezeugte Prüfungen validiert. Bezüglich der konstruktiven Auslegung der Hauptträger sieheUmfassender Leitfaden zur Konstruktion und Finite-Elemente-Analyse von Dachträgerkonstruktionen. Weitere Informationen zu nicht standardisierten Schweißverfahren finden Sie unterUmfassender Leitfaden zum Schweißverfahren für Kranhauptträger und zur Qualitätskontrolle der Schweißnähte。
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Frage: Was ist zu tun, wenn die Abweichung der Wölbung eines nicht standardmäßigen Hauptträgers nach dem Schweißen zu groß ist?
Antwort: Bei zu geringer Aufwölbung (weniger als L/2000 oder Durchbiegung nach unten) wird die Mitte der unteren Flanschplatte mit einer Flamme erhitzt, um durch thermische Kontraktion die Aufwölbung des Hauptträgers wiederherzustellen. Die Erwärmungsbreite darf 1/3 der Flanschbreite nicht überschreiten; die Temperatur ist auf 600 bis 650 Grad Celsius zu regeln und mit einem Punktthermometer zu überwachen. Bei zu großer Aufwölbung (größer als L/800) ist der mittlere Bereich des oberen Flansches zu erwärmen. Die Flammkorrektur muss abschnittsweise erfolgen, wobei der Korrekturbetrag jeweils 5 mm nicht überschreiten darf. Nach der Korrektur muss das Bauteil an der Luft abkühlen; eine schnelle Abkühlung durch Wasserbesprühung ist strengstens untersagt. Die Flammkorrekturtechniker von Krude Heavy Industry verfügen alle über die gemäß GB/T 50661 vorgeschriebenen Qualifikationszertifikate.
Frage: Was ist besser: die Kontrolle der Schweißverformung oder die Nachrichtung nach dem Schweißen?
Antwort: Die Kontrolle von Schweißverformungen (prozesstechnische Vorbeugung) ist der Korrektur nach dem Schweißen weit überlegen. Bei der prozesstechnischen Vorbeugung ist das Ausmaß der Verformung kontrollierbar, die mechanischen Eigenschaften bleiben unbeeinträchtigt und die Effizienz ist hoch. Die Korrektur nach dem Schweißen (Flamm- oder mechanische Korrektur) führt zu Sekundärspannungen und lokalen Veränderungen der Materialeigenschaften und stellt daher nur ein unvermeidbares Abhilfemaßnahme dar. Gemäß den Qualitätsstandards von Krude Heavy Industry muss die Erstschweiß-Passgenauigkeit bei Hauptträgern mindestens 95% betragen, d. h., Hauptträger mit einem Wert von 95% oder höher erfordern keine Nachbearbeitung. Der Schlüssel zur erfolgreichen Kontrolle von Schweißverformungen liegt in einer sorgfältigen Verfahrensprüfung und der Berechnung der Gegenverformung vor dem Schweißen.
Frage: Wie lässt sich die wellenförmige Verformung der Stege bei Kastenbrücken mit großer Spannweite nach dem Schweißen beheben?
Antwort: Die wellenförmige Verformung der Stegplatte ist eine Folge der Instabilität dünner Bleche aufgrund der Schweißschrumpfung in Querrichtung und tritt in der Regel an Stellen auf, an denen die Stegdicke gering ist (6–8 mm) und der Abstand zwischen den Versteifungsrippen groß ist (mehr als 1,5 m). Vorbeugende Maßnahmen: Der Abstand zwischen den Versteifungsrippen sollte auf 1,2 bis 1,5 m begrenzt werden, und das Verhältnis von Stegdicke zu Spannweite sollte mindestens 1/200 betragen. Behandlungsmethode: Die wellenförmigen Erhebungen werden mit einer Flamme erwärmt, wobei die Wärme vom Scheitelpunkt der Welle nach außen hin verteilt wird; der Durchmesser der Erwärmungszone beträgt jeweils 30–50 mm. Nach der Korrektur sollte die Abweichung der Ebenheit der Stegplatte höchstens das Zweifache der Blechdicke betragen.
Frage: Was ist beim Schweißen im Winter zu beachten?
Antwort: Bei Bauarbeiten im Winter, wenn die Umgebungstemperatur unter 0 Grad Celsius liegt, müssen folgende Maßnahmen ergriffen werden: ① Vorwärmen vor dem Schweißen – auch bei einer Blechdicke von weniger als 25 mm auf 30 bis 50 Grad Celsius vorwärmen; ② Windschutz im Schweißbereich – Errichtung eines Windschutzes, Windgeschwindigkeit unter 2 m/s; ③ Langsame Abkühlung nach dem Schweißen – Den Schweißnahtbereich mit Isolierwatte abdecken, die Abkühlzeit muss mindestens 1 Stunde betragen; ④ Handhabung der Schweißmaterialien – Schweißstäbe vor der Verwendung gemäß der Gebrauchsanweisung ausheizen und warmhalten, Schweißdraht von Öl und Rost befreien. Gemäß GB/T 50661 sind Schweißarbeiten an Stahlkonstruktionen bei Temperaturen unter -10 Grad Celsius verboten.
