Schweißporosität verstehen: Ursachen, Erkennung & Vermeidungstechniken

Was ist Schweißporosität?

Schweißporosität ist ein Schweißfehler, der durch die Aufnahme von Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoffgasen verursacht wird, die im geschmolzenen Schmelzbad eingeschlossen sind und beim Erstarren freigesetzt werden, was Taschen oder Poren an der Oberfläche oder innerhalb der Nahtperle verursacht. Porosität kann an der Oberfläche einer Naht oder innerhalb der Nahtperle auftreten.

Die Aufnahme von Stickstoff und Sauerstoff im Schmelzbad ist meist auf unzureichenden Gasenschutz zurückzuführen. Porosität kann zufällig verteilt sein: zufällig orientiert, ungleiche Abstände. Sie kann auch isoliert auftreten: einen Zoll (ca. 25 mm) von allen Seiten beabstandet.

Porosität ist das Vorhandensein von Hohlräumen im Schweißmetall, verursacht durch das Einfrieren von Gas, das beim Erstarren des Schmelzbads freigesetzt wird. Die Porosität kann verschiedene Formen annehmen:

• Verteilte Porosität (Distributed Porosity) – Poren, die über die gesamte Naht verteilt sind.
• Oberflächenbrechende Poren (Surface Breaking Pores) – Poren, die die Oberfläche durchbrechen.
• Wurmlochporosität (Wormhole) – Langgestreckte Poren, die auf dem Röntgenbild einem Fischgrätenmuster ähneln.
• Kraterporen / Schrumpfporen (Crater Pipes) – Eine Schrumpfhöhle am Ende des Nahtlaufs, verursacht durch Schrumpfung während der Erstarrung.

Ursachen und Vermeidung von Fehlern beim Schweißen

1. Verteilte Porosität und Oberflächenporen

Verteilte Porosität findet sich normalerweise als feine Poren über die gesamte Nahtperle. Oberflächenbrechende Poren deuten meist auf eine große Menge verteilter Porosität hin. Sie wird durch die Aufnahme von Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff im geschmolzenen Schmelzbad verursacht, die beim Erstarren freigesetzt werden und im Schweißmetall eingeschlossen werden.

Stickstoff- und Sauerstoffaufnahme im Schmelzbad stammt meist von schlechtem Gasenschutz. Schon 1 % Lufteinzug in das Schutzgas verursacht verteilte Porosität; mehr als 1,5 % führt zu groben oberflächenbrechenden Poren. Undichtigkeiten in der Gasleitung, zu hohe Gasdurchflussrate, Zugluft und übermäßige Turbulenz im Schmelzbad sind häufige Ursachen für Porosität.

Wasserstoff kann aus verschiedenen Quellen stammen, darunter Feuchtigkeit von unzureichend getrockneten Elektroden, Flussmitteln oder der Werkstückoberfläche. Fett und Öl auf der Oberfläche des Werkstücks oder des Fülldrahts sind ebenfalls häufige Wasserstoffquellen.

Oberflächenbeschichtungen wie Grundierungen und Oberflächenbehandlungen wie Zinkbeschichtungen können während des Schweißens große Mengen Rauch entwickeln. Das Risiko, das entwickelte Gas einzuschließen, ist bei T-Nähten größer als bei Stoßnähten, besonders beim Kehlnähteschweißen auf beiden Seiten.

Besondere Erwähnung verdienen die sogenannten schweißgeeigneten (niedrigzinkhaltigen) Grundierungen. Es sollte nicht notwendig sein, die Grundierungen zu entfernen, aber wenn die Grundierungsdicke die Empfehlung des Herstellers überschreitet, ist Porosität wahrscheinlich, besonders bei Schweißverfahren außer MMA.

Wie man verteilte Porosität und Oberflächenporen verhindert

Die Gasquelle sollte identifiziert und wie folgt beseitigt werden:

Lufteinzug (Air Entrainment)

• Alle Luftlecks abdichten
• Schmelzbadturbulenzen vermeiden
• Füllmaterial mit ausreichendem Entoxidationsmittelgehalt verwenden
• Übermäßig hohe Gasdurchflussrate reduzieren
• Zugluft vermeiden

Wasserstoff

• Elektrode und Flussmittel trocknen
• Werkstückoberfläche reinigen und entfetten

Oberflächenbeschichtungen

• Nahtkanten unmittelbar vor dem Schweißen reinigen
• Prüfen, ob die schweißgeeignete Grundierung unter der empfohlenen Maximaldicke liegt

2. Wurmlochporosität (Wormholes)

Charakteristisch sind Wurmlochporositäten langgestreckte Poren, die auf dem Röntgenbild ein Fischgrätenmuster (Herringbone) erzeugen. Wurmlochporositäten deuten auf eine große Gasbildung hin, die dann im erstarrenden Schweißmetall eingeschlossen wird.

Übermäßige Gasbildung entsteht durch grobe Oberflächenverunreinigung oder sehr dicke Farb- oder Grundierungsschichten. Einschluss ist wahrscheinlicher in Spalten wie dem Spalt unter dem vertikalen Element einer horizontal-vertikalen T-Naht, die auf beiden Seiten kehlgenahtet wird.

Beim Schweißen von T-Nähten in grundierten Platten ist es essenziell, dass die Beschichtungsdicke an der Kante des vertikalen Elements nicht über dem vom Hersteller empfohlenen Maximum liegt, typischerweise 20 µm, durch Übersprühen.

Wie man Wurmlochporosität verhindert

Die Beseitigung von Gas und Hohlräumen verhindert Wurmlochporosität.

Gasbildung

• Werkstückoberflächen an und angrenzend an die Schweißstelle reinigen
• Jegliche Oberflächenverunreinigung entfernen, insbesondere Öl, Fett, Rost und Rückstände von ZfP-Prüfungen (NDT)
• Jegliche Oberflächenbeschichtungen im Nahtbereich entfernen, um blankes Material freizulegen
• Prüfen, ob die Grundierungsdicke unter dem Herstellermaximum liegt

Nahtgeometrie

• Eine Nahtgeometrie vermeiden, die einen Hohlraum erzeugt

3. Kraterporen / Schrumpfporen (Crater Pipe)

Eine Kraterpore bildet sich während der endgültigen Erstarrung des Schmelzbads und ist oft mit gewisser Gasporosität verbunden.

Diese Unregelmäßigkeit resultiert aus Schrumpfung bei der Erstarrung des Schmelzbads. Folglich fördern Bedingungen, die den Flüssig-Fest-Volumenwechsel übertreiben, ihre Bildung. Das Löschen des Schweißlichtbogens führt zur raschen Erstarrung des Schmelzbads.

Beim WIG-Schweißen beeinflussen autogene Techniken oder das Stoppen der Drahtzufuhr in das Schmelzbad vor dem Löschen des Lichtbogens die Kraterbildung und können Rohrfehler (Pipe Imperfections) begünstigen.

Wie man Kraterporen verhindert

Kraterporen-Unregelmäßigkeiten können durch Kontrolle der Rate verhindert werden, mit der der Schweißlichtbogen gelöscht wird, oder durch die Schweißertechnik, den Lichtbogen und den Schweißdraht zu manipulieren.

Entfernung des Stopps

• Auslaufstück (Run-off Tab) verwenden, um den Schweißlichtbogen außerhalb der geschweißten Naht zu löschen
• Den Nahtstopp-Krater vor dem Fortfahren mit der nächsten Elektrode oder dem Auftrag der nachfolgenden Nahtlage ausfräsen

Schweißertechnik

• Schweißstrom progressiv reduzieren, um die Schmelzbadgröße zu verringern (Slope-Down- oder Kraterfüll-Funktionen nutzen)
• Füllmaterial (WIG) zuführen, um die Schmelzbadschrumpfung auszugleichen

Wie man Porosität in Nähten behebt

Auch mit all den verschiedenen Möglichkeiten zur Vermeidung von Porosität wird es immer eine kleine Chance geben, dass sie in Ihren Nähten erscheint. Glücklicherweise kann Porosität unter bestimmten Umständen behoben werden.

Sie müssen zunächst das Vorhandensein von Porosität durch entweder eine Eindringprüfung (Penetrant) oder eine Magnetpulverprüfung (Magnetic Particle Inspection) detektieren, wie Röntgenprüfung (Radiografie) oder Ultraschallprüfung (für Unterflächenunregelmäßigkeiten). Kleine Poren, besonders in dickeren Querschnitten, sind schwer zu detektieren.

Die Porosität selbst kann nicht genau „repariert“ werden. Vielmehr können Sie die Naht reparieren, indem Sie den lokalisierten Bereich ausfräsen (Gouging) oder ausschleifen. Dies gilt nur, wenn die Porosität begrenzt ist. Wenn sie weit verbreitet ist, müssen Sie die gesamte Naht entfernen, die Naht erneut vorbereiten und gemäß dem Schweißverfahren (WPS) schweißen.

Wie viel Porosität in einer Naht akzeptabel ist

Es gibt keine allgemeingültige, richtige Antwort auf diese Frage, da sie von Ihrem Schweißbaukodex (Welding Construction Code) abhängt. Das gesagt, schreibt die American Welding Society (AWS) Folgendes vor: Durchmesser sichtbarer Porosität sollten 3/8 Zoll (oder 9,4 mm) oder weniger betragen, in jedem linearen Zoll der Naht, und 3,4 Zoll (oder 19 mm) in einer 12-Zoll-Länge (ca. 305 mm) der Naht.

Im Zweifelsfall müssen Sie Ihren Schweißbaukodex prüfen und die Naht neu machen.