Unterfüllung beim Schweißen: Ursachen, Erkennung, Reparatur und Vorbeugung

Unterfüllung beim Schweißen tritt auf, wenn die fertige Schweißnaht das vorgesehene Nahtprofil nicht vollständig ausfüllt und die Schweißnahtoberfläche oder -wurzel unterhalb der Oberfläche des angrenzenden Grundwerkstoffs liegt. Dies mag wie ein geringfügiges Oberflächenproblem erscheinen, doch die eigentliche Frage ist, ob die Schweißnaht noch den vom Design geforderten Querschnitt, das Profil und die Festigkeit aufweist.

Die korrekte Identifizierung ist wichtig, da Unterfüllung oft mit Hinterschneidung oder einer zu kleinen Schweißnaht verwechselt wird. Dieser Leitfaden erklärt, wie man den Zustand erkennt, wodurch er verursacht wird und wie er behoben oder verhindert werden kann. Bei Laserschweißanwendungen können stabile Anlagen wie Dynalaser-Systeme zudem die Zufuhr des Schweißzusatzwerkstoffs und die Prozesskontrolle optimieren.

Was ist Unterfüllung beim Schweißen?

In der allgemeinen Schweißterminologie bezeichnet „Unterfüllung“ einen Schweißnahtzustand, bei dem die Schweißnahtoberfläche oder -wurzel unterhalb der angrenzenden Oberfläche des Grundwerkstoffs liegt. Vereinfacht ausgedrückt: Es wurde nicht genügend Schweißgut aufgetragen, um das gewünschte Nahtprofil wiederherzustellen.

Dadurch wird die unvollständige Schweißnahtfüllung in erster Linie zu einem Problem des Profils und der Abmessungen. Eine Schweißnaht kann ein gutes Oberflächenbild und in einigen Bereichen eine gute Verschmelzung aufweisen, aber dennoch unvollständig gefüllt sein, wenn die Nut nicht ausreichend gefüllt wurde.

Unterfüllung ist auch von einer allgemein „schlecht aussehenden Schweißnaht“ zu unterscheiden. Ob ein bestimmtes Profil akzeptabel ist, hängt von der Nahtkonstruktion und den für den Auftrag geltenden Anforderungen ab, einschließlich Zeichnung, Schweißverfahren, Projektspezifikation und anwendbarer Schweißnorm.

Wie sieht eine Unterfüllungsschweißung aus?

Eine Unterfüllungsschweißung weist typischerweise eine im Vergleich zum umgebenden Grundwerkstoff vertiefte Schweißnahtoberfläche auf. Die visuelle Beurteilung wird jedoch schwieriger, wenn die Verstärkung im Zentrum erhalten bleibt, während ein Teil der ursprünglichen Nut oder Fase noch sichtbar ist.

Typische Anzeichen für unzureichende Schweißnahtfüllung

Gängige visuelle Indikatoren sind:

• Eine Schweißnahtfläche, die unterhalb der angrenzenden Grundmetalloberfläche liegt
• Ein Teil der Nut oder Fase ist sichtbar unverfüllt.
• Eine Vertiefung, die sich über einen Teil oder die gesamte Schweißnaht erstreckt.
• Unzureichender Kappenaufbau nach dem letzten Pass
• Ein unregelmäßiger Übergang zwischen der Schweißnahtoberfläche und dem umgebenden Material

Die Querschnittsprüfung erleichtert das Verständnis des Zustands, da sie zeigt, ob tatsächlich genügend Schweißgut aufgebracht wurde, um den erforderlichen Querschnitt wiederherzustellen.

Eine optisch ansprechende Schweißnaht kann dennoch unterfüllt sein.

Eine glatte WIG-Naht oder eine schmale Laserschweißnaht kann auf einem Foto hervorragend aussehen und dennoch das geforderte Nahtprofil nicht erfüllen.

Das Erscheinungsbild allein reicht nicht aus, um die Güte der Schweißnaht zu beurteilen. Ein Prüfer muss außerdem die erforderliche Schweißnahtgröße, die Nahtgeometrie, das Schweißnahtsymbol, die Zeichnungsmaße und die geltenden Abnahmekriterien kennen.

Dies ist besonders wichtig bei der Online-Bewertung von Fotos. Eine leicht konkave Schweißnaht kann in einem Anwendungsfall beabsichtigt sein, in einem anderen jedoch ungeeignet.

Was verursacht Unterfüllung beim Schweißen?

Die Ursachen für unvollständige Schweißnahtfüllung liegen üblicherweise in einer Diskrepanz zwischen Nahtvolumen, Schweißzusatzauftrag, Schweißgeschwindigkeit und Schweißtechnik. Es ist selten sinnvoll, nur eine Maschineneinstellung zu bemängeln, ohne den gesamten Schweißprozess zu berücksichtigen.

Häufige Ursachen sind:

• Die Fahrgeschwindigkeit ist zu hoch für die verfügbare Füllstoffablagerung.
• Unzureichende Zusatzwerkstoff- oder Drahtvorschubgeschwindigkeit
• Falscher Brenner- oder Elektrodenwinkel
• Unzureichende Wulstplatzierung nahe den Nutkanten
• Zu wenige Durchgänge in einer tiefen oder breiten Rille
• Instabile manuelle Fahrweise
• Mangelhafte Abstimmung zwischen Füllstoffzufuhr und Wärmezufuhr

Die Stromstärke muss stets im Kontext betrachtet werden. Eine einfache Erhöhung der Stromstärke ist keine Universallösung. Ziel ist es, ausreichend kontrollierten Materialauftrag zu erzielen, eine ordnungsgemäße Verschmelzung zu gewährleisten und neue Schweißfehler wie mangelnde Verschmelzung zu vermeiden.

Beim automatisierten und Laserschweißen gilt dasselbe Prinzip. Schweißgeschwindigkeit, Drahtvorschub, Strahlposition, Nahtspalt und Wärmeeinbringung müssen optimal aufeinander abgestimmt sein. Ein wiederholgenaues Schweißsystem kann diese Abweichungen effektiver reduzieren als die nachträgliche Korrektur einzelner Fehler.

Warum stellt unzureichende Schweißnahtfüllung ein Problem dar?

Der Schweregrad einer unvollständigen Schweißnahtfüllung hängt davon ab, wie viel Material fehlt und für welche Belastung die Verbindung ausgelegt war. Eine leichte Vertiefung an einem nur geringfügig belasteten Bauteil ist nicht gleichzusetzen mit einem erheblichen Materialverlust in einer tragfähigen Strukturverbindung.

Reduzierter effektiver Schweißquerschnitt

Wenn die Verbindung auf einem bestimmten Schweißquerschnitt beruht, kann eine unzureichende Schweißnahtdicke die effektive Lastaufnahmefläche verringern.

Dies ist insbesondere bei Stumpfschweißungen relevant, bei denen die fertige Schweißnaht einen definierten Querschnitt im Bereich der Verbindung wiederherstellen soll. Es geht nicht nur darum, dass die Schweißnaht „flach aussieht“. Vielmehr ist fraglich, ob die erforderliche Geometrie tatsächlich erreicht wurde.

Stresskonzentration und Müdigkeit

Eine ausgeprägte Depression oder ein abrupter Übergang können als lokale Stresskonzentration wirken.

Unter wiederholter Belastung können in diesen Bereichen höhere lokale Spannungen auftreten als bei einem glatten Schweißnahtprofil. Dies bedeutet nicht, dass jede unvollständige Schweißnaht versagt, erklärt aber, warum die Profilanforderungen bei ermüdungsempfindlichen Anwendungen an Bedeutung gewinnen.

Probleme bei der Inspektion und Abnahme

Einer der wichtigsten praktischen Punkte ist, dass eine Unterfüllung nicht allein aufgrund eines Fotos akzeptiert oder abgelehnt werden sollte.

Bei der Inspektion sollten folgende Aspekte berücksichtigt werden:

• Die technische Zeichnung
• Erforderliche Schweißnahtgröße oder effektive Kehlnaht
• Gelenkart
• Schweißverfahrensspezifikation
• Anwendbarer Fertigungscode
• Projektspezifische Akzeptanzkriterien

In manchen Fällen kann ein Konstruktionsingenieur eine Bedingung auf Grundlage nachgewiesener effektiver Schweißnahtabmessungen oder projektspezifischer Anforderungen genehmigen. Diese Entscheidung sollte dokumentiert und nicht einfach in der Fertigung angenommen werden.

Unterfüllung vs. Hinterschnitt beim Schweißen

Unterfüllung und Hinterschneidung können bei Schweißfehlern nahe beieinander liegen, weshalb selbst erfahrene Schweißer und Prüfer manchmal über die Grenze zwischen ihnen diskutieren.

Am hilfreichsten ist die Unterscheidung, welches Material fehlt und wo es fehlt.

Eine nützliche praktische Regel ist, sich zuerst die Rille anzusehen.

Ist die ursprüngliche Fase noch sichtbar, weil die Fuge nicht vollständig gefüllt wurde, deutet dies auf eine unvollständige Füllung hin. Wurde die Nut zwar gefüllt, das angrenzende Grundmaterial am Schweißnahtübergang jedoch weggeschmolzen, ohne wiederhergestellt zu werden, spricht dies eher für eine Hinterschneidung.

Beide können im selben Bereich auftreten, daher sollte sich die Inspektion auf die tatsächliche Geometrie und nicht nur auf die Bezeichnung des Defekts konzentrieren.

Unterfüllung vs. zu kleine Schweißnaht

Unzureichende Füllung und eine zu kleine Schweißnaht hängen zwar zusammen, sind aber nicht identisch.

Unterfüllung beim Schweißen beschreibt das Profil der Schweißnaht im Verhältnis zum umgebenden Material oder der vorgesehenen Nutfüllung. Eine zu kleine Schweißnaht bedeutet, dass die aufgetragene Schweißnaht eine vorgegebene Maßanforderung nicht erfüllt, beispielsweise den erforderlichen Kehlnahtschenkel oder die effektive Kehlnahtdicke.

Eine Schweißnaht kann daher optisch „niedrig“ erscheinen, ohne dass dies automatisch bedeutet, dass alle erforderlichen Maße unzureichend sind. Umgekehrt kann auch eine Schweißnaht relativ vollständig aussehen, aber dennoch die geforderten Maße nicht erfüllen.

Diese Unterscheidung erweist sich insbesondere bei Kehlnähten, Aufweitungsschweißungen und Teilnahtdurchschweißungen als nützlich, da die Abnahme auf den tatsächlichen Konstruktionsanforderungen basieren sollte und nicht auf der Annahme, dass jede Schweißnaht eine bestimmte sichtbare Kante erreichen muss.

Wie man unvollständige Schweißnahtfüllung behebt

Die richtige Vorgehensweise zur Behebung von Schweißunterfüllungen hängt davon ab, wann diese entdeckt werden und welches Reparaturverfahren angewendet wird. Das Hinzufügen einer weiteren Schweißraupe kann in vielen Fällen sinnvoll sein, sollte aber nicht als automatische Lösung für jeden Auftrag betrachtet werden.

Wird nach dem Schweißen eine Unterfüllung festgestellt, wird üblicherweise zunächst deren Ausmaß ermittelt und das gewünschte Endprofil bestätigt. Anschließend kann der betroffene Bereich gereinigt oder entsprechend vorbereitet, zusätzliches Schweißgut aufgetragen, das Profil wiederhergestellt und der reparierte Bereich erneut geprüft werden.

Tritt das Problem während des Schweißvorgangs auf, sollte der Prozess vor dem Fortfahren korrigiert werden. Dies kann bedeuten, die Schweißgeschwindigkeit zu verringern, die Schweißzusatzmenge zu erhöhen, den Brenner neu zu positionieren, die Schweißnahtposition zu ändern oder eine weitere Schweißlage einzufügen.

Beim Laserschweißen sind ein gleichmäßiger Drahtvorschub und eine präzise Ausrichtung besonders wichtig. Die Laserschweißsysteme von Dynalasers integrieren Laserquelle, Schweißkopf, Drahtvorschub und Prozesssteuerung in ein koordiniertes System. Dies unterstützt den Bediener dabei, gleichmäßigere Schweißbedingungen zu gewährleisten und prozessbedingte Unterfüllungen beim Schweißen zu reduzieren.

Das wichtigste Prinzip ist, die Ursache dafür zu beheben, dass die Fuge nicht gefüllt wurde, anstatt einfach nur die sichtbare Vertiefung zu kaschieren.

Wie man unvollständige Schweißnahtfüllung verhindert

Das Vermeiden von Unterfüllung beim Schweißen hängt hauptsächlich davon ab, die Schweißgutmenge mit dem Volumen der Naht in Einklang zu bringen. Der Prozess muss genügend Schweißgut an der richtigen Stelle einbringen, ohne die Verschmelzung zu beeinträchtigen oder übermäßige Verstärkungen zu erzeugen.

Fünf Bedienelemente sind besonders nützlich:

1. Die Fahrgeschwindigkeit sollte der Ablagerungsrate angepasst werden. Wenn das Werkstück schneller bearbeitet wird, als das Füllmaterial aufgebracht werden kann, führt dies häufig zu einem unvollständigen Profil.
2. Verwenden Sie eine geeignete Drahtvorschub- oder Füllrate. Das Schmelzbad benötigt ausreichend Material, um die Nut gleichmäßig zu füllen.
3. Achten Sie auf die richtige Position und den richtigen Winkel der Taschenlampe. Durch eine ungünstige Positionierung kann eine Seite der Nut unzureichend gefüllt sein.
4. Planen Sie genügend Durchgänge für die Gelenkgeometrie ein. Tiefe oder breite Rillen erfordern möglicherweise mehrere kontrollierte Durchgänge anstelle eines einzigen, überdimensionierten Durchgangs.
5. Überprüfen Sie das Schweißnahtprofil während der Produktion. Die frühzeitige Erkennung einer sich entwickelnden Vertiefung vor Fertigstellung der Fuge reduziert den Reparaturaufwand.

Bei der Serienfertigung ist Prozessstabilität besonders wichtig. Anlagen, die eine gleichbleibende Leistung, gleichbleibende Transportbedingungen und eine gleichmäßige Drahtzufuhr gewährleisten, tragen dazu bei, Abweichungen zwischen den einzelnen Schweißraupen zu reduzieren.

Unterfüllung beim Laserschweißen

Beim Laserschweißen wird die Wärme konzentriert eingebracht, wodurch schmale, saubere Nähte bei relativ hohen Schweißgeschwindigkeiten entstehen. Diese Vorteile bedeuten jedoch auch, dass Änderungen bei der Nahtvorbereitung, der Strahlposition oder der Zusatzwerkstoffzufuhr das Schweißnahtprofil schnell beeinflussen können.

Typische Ursachen für unzureichende Schweißnahtfüllung beim Laserschweißen sind zu hohe Schweißgeschwindigkeit, ungenügende Zufuhr von Schweißdraht, Schwankungen im Nahtspalt und Fehlausrichtung zwischen Strahl, Draht und Naht.

Ein stabiles Prozessfenster ist daher wichtiger als eine bloße Leistungssteigerung. Die handgeführten Laserschweißsysteme von Dynalasers sind so konzipiert, dass sie eine gleichmäßige Laserleistung und einen koordinierten Drahtvorschub gewährleisten. Dies hilft dem Bediener, ein reproduzierbareres Schmelzbad zu erzielen und Fehler aufgrund instabiler Prozessbedingungen zu reduzieren.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Unterfüllung beim Schweißen

Tritt Unterfüllung nur bei Stumpfschweißungen auf?

Der Begriff wird am häufigsten für Stumpfschweißungen verwendet, bei denen die Schweißnahtoberfläche oder -wurzel unterhalb der angrenzenden Grundwerkstoffoberfläche bleibt. Bei Kehlnahtschweißungen konzentrieren sich die Prüfer oft stärker auf die erforderliche Schenkellänge, die effektive Kehlnahtdicke und die vorgegebene Schweißnahtgröße.

Da Terminologie und Akzeptanzkriterien je nach anwendbarer Norm variieren können, ist es am sichersten, den tatsächlichen Maßzustand zu ermitteln, bevor man einen Fehlernamen vergibt.

Kann eine unterfüllte Schweißnaht die Abnahme trotzdem bestehen?

Möglich, aber man sollte es niemals annehmen.

Die Zulassung hängt von den geltenden Normen, der Nahtkonstruktion, der erforderlichen Schweißnahtgröße, der technischen Zeichnung und den Projektspezifikationen ab. Bei manchen Anwendungen ist ein bestimmtes Profil zulässig, sofern die erforderliche effektive Schweißnahtgröße nachgewiesen wurde, während andere Spezifikationen eine unzureichende Füllung als unzulässig einstufen.

Wenn die Anforderung unklar ist, sollte die Entscheidung dem zuständigen Schweißinspektor oder -ingenieur vorgelegt werden.

Kann die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) feststellen, ob eine Schweißnaht unterfüllt ist?

Unterfüllung ist in erster Linie ein Oberflächenprofil- und Dimensionszustand, daher sind visuelle Inspektion und direkte Messung normalerweise wichtig, um sie zu identifizieren.

Prüfverfahren wie Eindringprüfung (PT), Magnetpulverprüfung (MT), Ultraschallprüfung (UT) oder Röntgenprüfung (RT) dienen unterschiedlichen Zwecken und sollten nicht automatisch als Ersatz für die Maßprüfung angesehen werden. Beispielsweise kann eine Schweißnaht keine aussagekräftige Eindringprüfung ergeben, obwohl sie das geforderte Profil oder die geforderte Schweißnahtgröße nicht erfüllt.

Die Prüfmethode und die Verantwortung für die Abnahme sollten daher dem jeweils geltenden Verfahren und der Projektspezifikation entsprechen.

Fazit

Unterfüllung beim Schweißen ist mehr als nur eine kosmetische Vertiefung. Entscheidend ist, ob die fertige Schweißnaht das vom Konstruktionsplan geforderte Profil und den erforderlichen effektiven Querschnitt aufweist. Eine korrekte Diagnose bedeutet auch, Unterfüllung von Hinterschneidungen und zu kleinen Schweißnähten zu unterscheiden, anstatt die Naht allein nach ihrem Aussehen zu beurteilen.

Eine präzise Parameterkontrolle, ausreichende Zusatzwerkstoffablagerung, eine stabile Schweißtechnik und frühzeitige Profilprüfungen können die meisten Probleme verhindern. Beim Laserschweißen kann ein wiederholgenaues System wie Dynalaser die Prozessstreuung weiter reduzieren und den Bedienern helfen, gleichmäßigere Schweißnahtprofile zu erzielen.