Einen Schweißrahmen verzugsarm konstruieren

Eine Naht ist ein kleiner Guss, der erstarrt, während er an etwas Kälterem und Steiferem als er selbst festgehalten wird. Beim Abkühlen will er sich zusammenziehen, der umgebende Stahl lässt ihn nicht, und die Differenz wird als Eigenspannung gespeichert und als Bewegung ausgezahlt. Jedes Verzugsproblem an einem Schweißrahmen ist eine Fassung dieses Satzes.

Die Bewegung kommt in drei Richtungen, und es lohnt sich, sie zu benennen, weil die Gegenmittel verschieden sind. Querschrumpfung zieht die Verbindung quer zur Naht zusammen. Längsschrumpfung verkürzt den Stab entlang der Naht und krümmt ihn, wenn die Naht außerhalb der neutralen Achse liegt. Winkelverzug schließt die Verbindung um die Wurzel, weil eine Kehlnaht wie eine V-Naht oben mehr Metall ablegt als unten und oben deshalb stärker schrumpft.

Der Konstrukteur entscheidet mehr als der Schweißer

Wenn ein Rahmen die Werkstatt erreicht, ist sein Verzugsverhalten weitgehend festgelegt. Das sind die Entscheidungen, auf die es ankommt, grob nach Wirkung geordnet.

• Die Nahtdicke. Der wirksamste Hebel und zugleich der am häufigsten achtlos gesetzte. Das Kehlnahtvolumen wächst mit dem Quadrat der Schenkellänge, eine Kehlnaht a6 legt also rund das Zweieinviertelfache des Metalls einer a4 ab, schrumpft entsprechend, kostet entsprechend und erwärmt das Teil entsprechend. Eine nach der Last statt nach Gewohnheit bemessene Kehlnaht ist die billigste Verzugsbegrenzung, die es gibt.
• Symmetrie zur neutralen Achse. Zwei beiderseits der Achse ausgewogene Nähte ziehen gegeneinander; eine einzelne Naht auf einer Seite krümmt den Stab. Wo eine Verbindung nicht symmetrisch sein kann, rechnen Sie mit der Krümmung und setzen Sie entweder vor oder bearbeiten Sie sie hinterher weg.
• Durchgehend oder unterbrochen. Eine durchgehende Kehlnaht auf einer langen, gering belasteten Verbindung bringt Wärme und Schrumpfung ein, die die Verbindung nie brauchte. Unterbrochene Nähte senken beides, wo Belastung und Korrosionsumgebung es zulassen.
• Querschnittssteifigkeit. Ein geschlossener Kasten widersteht der in ihm enthaltenen Schrumpfung weit besser als ein offenes U-Profil gleicher Masse. Den Querschnitt früh in der Reihenfolge zu schließen kostet oft nichts und nimmt eine ganze Klasse von Bewegung heraus.
• Wo die Funktionsflächen liegen. Eine Fläche, die eben sein muss, und eine Fläche, die nahe an einer Naht liegen muss, stehen gegeneinander. Sagen Sie, welche Flächen funktional sind, und legen Sie die Nähte woanders hin.

Was die Werkstatt steuert

Der Fertiger besitzt die Reihenfolge, und eine gute Reihenfolge leistet viel: Nähte beiderseits der Achse im Aufbau auswiegen, Pilgerschritt und Sprungnähte auf langen Verbindungen, von der Mitte nach außen schweißen, und Vorrichtungen, die halten ohne zu überzwängen, denn eine starr eingespannte Verbindung verzieht sich nicht, speichert die Spannung aber, und sie bewegt sich, wenn die Spanner gelöst werden.

Robotergestütztes Schweißen hilft hier auf eine nicht offensichtliche Weise: der Wert ist nicht Geschwindigkeit, sondern Wiederholbarkeit. Gleiche Streckenenergie in gleicher Reihenfolge heißt gleicher Verzug an jedem Stück, und ein immer gleicher Verzug lässt sich vorhalten, ein schwankender nicht.

Wann man aufhört zu kämpfen und bearbeitet

Bei einer Funktionsfläche an einem Maschinenrahmen gibt es einen Punkt, an dem Reihenfolge und Vorrichtung nicht mehr die wirtschaftliche Antwort sind und die ehrliche lautet: den Rahmen schweißen, sich setzen lassen und die Fläche danach bearbeiten. Das ist der übliche Weg der Rahmen, die diese Halle verlassen: schweißen, spannungsarm glühen, wenn die Zeichnung es verlangt, dann auf dem Bohrwerk in einer Aufspannung bohren und planen, damit Auflageflächen und Bohrungen denselben Bezug teilen.

Das Nützlichste, was eine Zeichnung tun kann, ist die beiden Maßarten zu trennen. Kennzeichnen Sie die zwei oder drei funktionalen Maße und geben Sie ihnen echte Werte; den Rest überlassen Sie einer allgemeinen Toleranzklasse. Ein Rahmen mit überall verschärften Maßen ist nicht genauer, nur teurer, und er verbirgt, auf welche Maße es wirklich ankam.