Mängel an Schweißverbindungen

Arten und Klassifizierung

Die Qualität von Schweißnähten wird durch das Vorhandensein und die Anzahl verschiedener Fehler bestimmt, die in ihnen auftreten, wie z. B. Poren, Risse, Undichtigkeiten usw., was zu ihrer Zerstörung während der Herstellung oder – schlimmer noch – während des Betriebs führen kann.

Davon hängen die Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Langlebigkeit der Konstruktion ab. Die Qualität ist ein Maßstab für die Qualifikation des Unternehmens, den Stand seiner materiellen und technischen Ausstattung, die Qualität der Werkstoffe sowie seine Fähigkeit, mit der Zeit Schritt zu halten.

Die Sicherung der Schweißnahtqualität senkt die Betriebskosten, daher möchte jedes Unternehmen seine Prozesse optimieren und die Kontrollaufgaben auf die proaktive Vermeidung von Fehlern reduzieren, was wesentlich kostengünstiger ist als deren Erkennung und Reparatur nach dem Schweißen. Fehler können innerlich oder äußerlich sein. Beide lassen sich in zwei Gruppen unterteilen:

Metallurgie: Tritt während der Entstehung von Schweißnähten auf; dazu gehören Poren, nicht geschmolzene Bereiche, Risse, Schlackengänge, eine Verschlechterung der plastischen Eigenschaften der gesamten Struktur sowie Flocken. Um dies zu vermeiden, müssen die Qualität der verwendeten Werkstoffe sowie deren Transport und Lagerung sorgfältig analysiert werden.

Menschlicher Faktor: Die Fehler werden durch Fehler im Produktionsprozess, unzureichend qualifizierte Mitarbeiter, schlechte Vorbereitung und Montage sowie ungenaue Ausrichtung der Elektroden usw. verursacht. Dies führt zur Entstehung von Kratern, Unterschneidungen, Unterschieden in der Schweißnahtgröße, Durchbrennungen usw.

Kristallisationsrisse (Heißrisse) in der Schweißnaht

Heißrisse – dies sind Unregelmäßigkeiten in Form von Kerben, die während des Kristallisationsprozesses entstehen und sich in der fertigen Schweißnaht weiterentwickeln können. Sie können längs oder quer verlaufen und sich zwischen benachbarten Kristallen entlang der Schweißnahtachse befinden, aber auch bis zur Oberfläche der Schweißnaht reichen oder in ihrem Inneren verbleiben. In der Regel sind äußere Risse aufgrund von Oxiden weißlich, während innere Risse eine graue Farbe aufweisen. Äußere Risse werden durch eine äußere Inspektion erkannt, innere Risse durch Röntgen, Ultraschall sowie Makro- und Mikrospuren. Diese Art von Fehler ist unzulässig und gehört zu den Hauptfehlern im Schweißwesen.

Die Bildung der Schweißnaht während des Kristallisationsprozesses (der mit erhöhter Sprödigkeit einhergeht) – das Metall erreicht einen fest-flüssigen Zustand. Eine ungleichmäßige Erwärmung und anschließende Kühlung der Struktur führt zur Entstehung von Zugspannungen, die zu Verformungen führen. Sind diese Spannungen größer als die Duktilität des Metalls, entsteht durch die Trennung der Kristalle ein Riss. Die Rissbeständigkeit wird durch den Temperaturbereich und die Duktilität bestimmt; bei der Auslegung der Prozesse müssen die chemische Zusammensetzung des Grundmetalls und der Schweißnaht, die Form des Schweißbads usw. berücksichtigt werden.

Betrachten wir den Einfluss einiger Faktoren:

Zugspannungen. Ihre Auswirkungen lassen sich nicht vollständig vermeiden; daher besteht die Aufgabe darin, ihren Einfluss zu minimieren – angefangen bei der Planung bis hin zur tatsächlichen Ausführung. Die Spannungen lassen sich durch Vorwärmen der Bauteile, die richtige Reihenfolge und Anordnung der Schweißnähte sowie durch eine starre Verankerung der Konstruktion im Leiter verringern, um Risse an den Schweißnahtenden zu verhindern.

Chemische Zusammensetzung

Die Elemente des Grundmetalls und die Legierungszusätze lassen sich in drei Gruppen einteilen:

• Schädliche Elemente – sie verringern die Bruchfestigkeit der Schweißnaht. Beispiele hierfür sind Phosphor und Schwefel. Sie beeinträchtigen zudem die Schlagzähigkeit.
• Positive und negative Elemente – je nach Gehalt und Konzentration können sie sowohl positive als auch negative Auswirkungen haben. Beispielsweise schwächt Mangan die Wirkung von Schwefel ab, verringert jedoch in höheren Konzentrationen die Bruchfestigkeit. Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium gehören zur selben Gruppe, ebenso wie Nickel, das in hohen Konzentrationen einen positiven Einfluss hat, in niedrigen Konzentrationen jedoch keinerlei Einfluss ausübt.
• Elemente, die keinen Einfluss auf die Entstehung dieses Fehlers haben.

Die Form des Schweißbads. Sie beeinflusst die Kristallwachstumsrichtung und damit die Rissbeständigkeit und wird durch den Formfaktor bestimmt – das Verhältnis der Schweißnahtbreite zur Eindringtiefe. Der optimale Wert liegt bei 6, während ein weiterer Anstieg die Rissbeständigkeit verringert. Wichtiger Hinweis: Konkave und gekrümmte Verbindungen unterscheiden sich nicht hinsichtlich ihrer Bruchfestigkeit.

Poren in Schweißnähten

Gasenklungen, die während der anfänglichen Kristallisation im Metall entstehen und eine kugelförmige oder komplexere Geometrie aufweisen, werden als Poren bezeichnet. Sie können im Inneren verbleiben oder an der Oberfläche auftreten (Durchbrüche) und lassen sich durch äußere Prüfung oder mit Methoden zur Erkennung von Rissen im Inneren des Produkts nachweisen. Ihre Größe reicht von einigen Mikrometern bis zu 5 Millimetern.

In vielen Fällen stellen Poren einen unzulässigen Fehler an Schweißverbindungen dar, können jedoch je nach Technologie in begrenzter Anzahl und Größe zugelassen werden. Zur Entstehung dieses Defekts tragen vor allem Wasserstoff und Stickstoff sowie Kohlenmonoxid (CO) bei.

Befindet sich das Schweißbad im flüssigen Zustand, kommt es zu einer vollständigen Freisetzung der Gase, die von hoher Intensität begleitet wird. Beim Erstarren weist das Metall hingegen einen niedrigen Löslichkeitskoeffizienten auf, und das Gas hat keine Zeit, sich vollständig zu entweichen, was zur Bildung von Poren führt.

Um den Auswirkungen von Wasserstoff vorzubeugen, sollte man:

1. Bessere Schweißtechniken und -verfahren entwickeln;
2. Die Schweißkanten von Verunreinigungen befreien;
3. Feuchtigkeit entfernen – dies geschieht durch Trocknen oder Erhitzen auf über 100 °C;
4. Rost mit einem Schweißbrenner oder speziellen Schweißmaterialien entfernen. Moderne Elektroden und Drähte verfügen über eine Funktion zur Vorreinigung des Metalls.
5. Schweißmaterialien ordnungsgemäß lagern.

Um den Auswirkungen von Stickstoff vorzubeugen, sollte man:

1. Die Luftzufuhr begrenzen
2. Nitride zur Bildung von Legierungsverbindungen einbringen
3. Das Metall entgasen

Um den Einfluss von Sauerstoffoxiden zu verhindern, Folgendes einbringen:

• Deoxidationsmittel wie Silizium einbringen. Dieses Element hemmt die Bildung von CO und verhindert das Aufkochen des Stahls.

Nichtmetallische Einschlüsse in Schweißnähten

Oxide – Im Allgemeinen als FeO enthalten, bei höherem Si- und Mn-Gehalt bilden sich jedoch Oxide mit diesen Elementen. Sie führen zu einer Verringerung der Kaltzähigkeit, der Duktilität und der Dehnbarkeit und sind in Mengen von bis zu 0,1 % enthalten. Der Zusatz von Elementen wie Al, Ti und V führt zu einer allgemeinen Verringerung der Oxidbildung.

Sulfide – Verbindungen, die von Schwefel gebildet werden. Sie liegen in Form von Schichten oder Schichtketten vor. Sie können die Qualität von Edelstahl sehr nachteilig beeinflussen, da sie die Entstehung von Heißrissen begünstigen.

Elemente, die Phosphor enthalten. Wie wir aus Erfahrung wissen, kommt Phosphor in festen Lösungen vor. Er kann in Form von Einlagerungen und kugelförmigen Einschlüssen auftreten. Er verschlechtert die mechanischen Eigenschaften und begünstigt die Entstehung von Heißrissen.

Wichtig!!! Nichtmetallische Einschlüsse sind kein Fehler. Sie können jedoch entscheidende Faktoren für die Lebensdauer einer Schweißkonstruktion sein.

Weitere Fehler an Schweißverbindungen

• Schweißschlacke – ist eine mit Schlacke gefüllte Diskontinuität, die der Breite der Spalte zwischen den Kanten entspricht und häufig im Inneren der Schweißnaht verbleibt. Sie weist eine längliche, abgerundete Geometrie auf und wird auf dieselbe Weise wie Poren beseitigt.
• Flocken – dieser Fehler tritt bei der Prüfung von Biegeproben auf. In realen Schweißnähten wird dieser Fehler nicht beobachtet. Er lässt sich durch Erhitzen auf 200 Grad Celsius beseitigen. Da es sich um einen kreisförmigen Bereich handelt, der in der Mitte eine Porose aufweist, wird er als „Fish-eye“ bezeichnet.
• Unterlauf – dabei wird das Grundmetall der Schweißnaht unterschnitten, was die Festigkeitseigenschaften mindert und Spannungen verursacht. Ein Unterschnitt entsteht durch falsche Schweißbedingungen (zu hohe Spannung) oder ungenaue Elektrodenführung und kann entweder durch Nachschweißen oder durch mechanische Bearbeitung beseitigt werden, indem die scharfe Kante abgeschliffen und ein fließender Übergang vom Grundmetall zur Schweißnaht hergestellt wird.
• Schweißnahtüberlauf – hierbei handelt es sich um eine Überlappung des Schweißmetalls auf das Grundmetall ohne Verschmelzung. Die Ursachen sind dieselben wie bei Unterläufen. Sie können mechanisch behoben werden.
• Ausflüsse – dies sind Bereiche in der Schweißnaht, die durch das Ausfließen von Metall aus dem Schweißbad entstehen. Eine häufige Ursache ist ein großer Spalt zwischen den zu verschweißenden Bauteilen. Sie können durch Schweißen behoben werden.
• Krater – hierbei handelt es sich um eine Vertiefung, die durch das Erlöschen des Lichtbogens (MMA) oder am Ende der Schweißnaht (MIG/MAG, MMA) entsteht und einen kleineren Querschnitt aufweist. Sie kann durch Schweißen oder Wasser-Wasser-Streifen beseitigt werden. Beim Schweißen kommen spezielle Techniken zum Einsatz, die optimale Eigenschaften der Schweißnaht und der gesamten Konstruktion gewährleisten.
• Verbrennungen – dies sind „Flecken“, die entstehen, wenn der Lichtbogen auf dem Grundmetall zündet. Zum Beispiel beim Klopfen mit der Elektrode, um Schlacke zu entfernen und den Lichtbogen zu zünden. Sie verringern die plastischen Eigenschaften des Metalls.

Einfluss von Fehlern auf die Festigkeit

• Statische Festigkeit. Fehler wie Risse oder Unterschnitte führen häufig zum Versagen der Konstruktion. Ihr Gesamtvolumen wirkt sich jedoch nicht immer in gleicher Weise auf die Lebensdauer der Schweißnaht aus. Dies wird anhand von Betriebserfahrungen an bereits in Betrieb befindlichen Schweißverbindungen sowie auf der Grundlage von Experimenten, Schlussfolgerungen und neuen Forschungsergebnissen ermittelt. Es ist bekannt, dass niedrige Betriebstemperaturen zu Versagen führen können, das mit einer Verringerung der Plastizität des Werkstoffs zusammenhängt. Und selbst eine geringe Anzahl von Fehlern kann deren Ausbreitung und Auftreten bewirken und in der Folge zur Außerbetriebnahme führen. Nicht zu vergessen ist der Einfluss von Wasserstoff, der bereits bei relativ niedrigen Temperaturen unter Null die Festigkeit der Schweißnaht verringert.
• Hoher Kohlenstoffgehalt. Es ist bekannt, dass Metall bei hohem C-Gehalt anfälliger für Sprödigkeit ist, insbesondere bei höheren Temperaturen, sowie für den Verlust der Duktilität und in der Folge für die Entstehung „scharfer“ Fehler.
• Ermüdungsfestigkeit. Alle rissartigen Fehler sind Spannungskonzentratoren und haben einen wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer der Konstruktion. Fehler konzentrieren die Spannungen, was die Ermüdungsfestigkeit der Schweißnähte verringert. Untergräbungen haben einen ähnlich schädlichen Einfluss auf diesen Parameter und werden durch ihre Tiefe charakterisiert. Poren haben einen geringeren Einfluss, wenn sie in Querverbindungen auftreten als in Längsverbindungen. Dies resultiert aus dem Unterschied bei den Zugspannungen.