Warum wird eine Laserschweißnaht porös?

Ein Teil liegt auf oder im Bauteil: Öl, Beschichtungen, Zink, Feuchte, die Oxidschicht von Aluminium. Ein anderer Teil entsteht im Prozess selbst, etwa durch unzureichenden Gasschutz oder eine instabile Dampfkapillare. Wer eine poröse Schweißnaht nur über Parameter zu beheben versucht, übersieht die erste Gruppe leicht.

Dieser Beitrag ordnet Ursachen, Prüfung und Gegenmaßnahmen und zeigt, welche Rolle die Vorbereitung der Fügestelle spielen kann. Er ersetzt weder die Qualifizierung eines Schweißverfahrens noch eine Gefährdungsbeurteilung.

Was eine Pore in der Schweißnaht ist

Eine Pore ist ein gasgefüllter Hohlraum im erstarrten Schweißgut, bei einer Laserschweißnaht ebenso wie bei anderen Schmelzschweißnähten. Ein Fachbeitrag auf Grundlage von Forschungsarbeiten des Fraunhofer IPK nennt als Hauptursache den Einschluss von Gasen im Schmelzbad, die beim Erstarren nicht mehr entweichen können.

Entscheidend ist, wie viel Gas entsteht und wie lange das Schmelzbad flüssig bleibt, damit es austreten kann.

Poren können einzeln, gehäuft oder fein verteilt auftreten, offen an der Oberfläche oder vollständig im Inneren der Naht.

Werkstoffbedingte Poren und Prozessporen

Hilfreich ist eine Unterscheidung, die eine Dissertation der Universität Stuttgart zum Laserstrahlschweißen von Aluminium-Druckguss trifft:

• werkstoffbedingte Poren: Gase, die im Werkstoff eingeschlossen sind und beim Aufschmelzen frei werden
• Prozessporen: Poren, die durch Schwankungen der Dampfkapillare beim Tiefschweißen entstehen können

Sinngemäß auf die Oberfläche übertragen, führt die Unterscheidung zu unterschiedlichen Gegenmaßnahmen. Gegen Öl an der Fügestelle ist Reinigung naheliegender als eine Parameteränderung. Eine instabile Dampfkapillare dagegen lässt sich durch Reinigung allein nicht beruhigen.

Öl, Fett und Rückstände an der Fügestelle

Bleche aus vorangegangenen Umformprozessen sind mit Ölen überzogen. Hinzu kommen Emulsionen, Trockenschmierstoffe und Konservierungsschichten, die teils kaum sichtbar sind.

Unter dem Laserstrahl verdampfen diese Stoffe. Der Dampf gelangt in das Schmelzbad, und ein Teil davon kann beim Erstarren eingeschlossen werden. Schweißaufsicht im Betrieb nennt Ölrückstände und andere Verschmutzungen auf der Werkstückoberfläche oder an der Stoßkante ausdrücklich als Porenursache und das Reinigen der Werkstücke als Gegenmaßnahme.

Dabei zählt auch die Stoßkante: Verschmutzung in der Fuge liegt genau dort, wo das Schmelzbad entsteht, und wird von einer Reinigung der Oberseite nicht immer erfasst.

Lack, Primer und organische Beschichtungen

Lacke, Primer und andere organische Beschichtungen können im Schweißprozess Gase und Rauch freisetzen und wirken im Nahtbereich ähnlich wie eine Verschmutzung.

Hersteller von Laserreinigungssystemen beschreiben das Entfernen von Shop-Primer auf Stahlblechen, von Konservierungsschichten und von Umformschmierstoffen als typische Vorbereitung vor dem Schweißen.

Eine Beschichtung, die später als Korrosionsschutz gebraucht wird, sollte nur dort entfernt werden, wo es für die Naht nötig ist. Wie breit dieser Bereich sein muss, hängt von Nahtform, Wärmeeinbringung und den Anforderungen an das Bauteil ab und lässt sich nicht pauschal angeben.

Verzinkte Bleche und Zinkdampf

Bei verzinktem Stahl liegt die Ursache in der Physik der Werkstoffe. Nach Angaben von Fronius schmilzt Zink bei rund 420 °C und verdampft bei 900 °C, während der Schmelzpunkt von Stahl über 1500 °C liegt. Wenn der Stahl schmilzt, ist das Zink in der unmittelbaren Umgebung also bereits gasförmig.

Besonders kritisch ist der Überlappstoß, weil die Zinkschicht dort in der Fügeebene zwischen den Blechen liegt. Schweißaufsicht im Betrieb beschreibt, dass der Zinkdampf bei Überlappverbindungen durch das Schmelzbad entweichen muss. Das Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig nennt als Folge eine Störung der Dampfkapillare mit Schmelzbadauswürfen, Durchschüssen und Schweißspritzern.

Stand der Technik ist nach derselben Quelle das Einstellen von Entgasungsspalten, die eine gerichtete Verdampfung des Zinks in der Zwischenlage ermöglichen. Forschungsarbeiten zeigen, dass bifokale oder ringförmige Spotanordnungen unter bestimmten Bedingungen auch ohne voreingestellten Spalt prozesssicheres Schweißen ermöglichen können.

Wird die Zinkschicht im Nahtbereich entfernt, fehlt dort der Korrosionsschutz. Ob das zulässig ist, hängt von den Anforderungen an das Bauteil ab.

Aluminium, Oxidschicht und Wasserstoff

Bei Aluminium ist Wasserstoff eine zentrale Porenquelle. Nach Angaben des Schweißtechnikunternehmens ERL nimmt die Löslichkeit von Wasserstoff in Aluminium beim Abkühlen bei etwa 600 °C sprungartig ab, ungefähr im Verhältnis 1:20. Was in der Schmelze gelöst war, muss beim Erstarren austreten. Gelingt das nicht, bleibt es als Pore zurück.

Wasserstoff kann etwa aus Feuchte oder aus Ölen und Fetten auf der Oberfläche stammen. Aluminium bildet an Luft sofort eine Oxidschicht. Oxide können zusätzlich zu Oxideinschlüssen führen — eine eigene Unregelmäßigkeit neben der Pore.

Als Vorbereitung nennt ERL das Bearbeiten mit Edelstahlbürsten sowie chemisches Reinigen kurz vor dem Schweißen. Dem Beizen in alkalischen Lösungen gibt ERL dabei den Vorzug; Lösemittel hält ERL in vielen Fällen aus Gründen des Arbeitsschutzes für bedenklich, weil Rückstände durch den Lichtbogen zu gesundheitsschädlichen Gasen und Dämpfen umgesetzt werden können. Der Zusatz „kurz vor“ ist wesentlich, weil die Oberfläche nach der Reinigung wieder reagiert.

Bei Aluminium-Druckguss kommt eine Quelle hinzu, die keine Oberflächenbehandlung erreicht: Die Stuttgarter Dissertation beschreibt im Werkstoff eingeschlossene Gase aus dem Gießprozess, darunter Wasserstoff und Stickstoff. Das Fraunhofer IWS nennt zusätzlich Formtrennmittel als ungünstig für die Nahtausbildung.

Feuchte und Kondensat

Wasser auf der Oberfläche ist eine direkte Wasserstoffquelle. ERL formuliert für Aluminium, dass Kondensation unbedingt zu vermeiden ist, und nennt ein Beispiel: Bei 70 Prozent Luftfeuchte kann Wasser bereits kondensieren, wenn das Metall etwa 5 °C kälter ist als die Umgebungsluft.

Das kann etwa Bauteile betreffen, die aus einem kalten Lager in eine warme Halle kommen. Dann kann es sinnvoll sein, sie vor dem Schweißen auf Hallentemperatur kommen zu lassen.

Schutzgas: Art, Menge und Führung

Das Schutzgas soll das Schmelzbad von der Umgebungsluft trennen. Der Fachbeitrag zu den Arbeiten des Fraunhofer IPK hält fest, dass die Auswahl des Schutzgastyps, die korrekte Einstellung der Flussrate und eine optimierte Gasführung wesentlich zu einer stabilen Prozessführung beitragen.

Untersucht wurde handgeführtes Laserstrahlschweißen an T-Stößen aus dem niedriglegierten Stahl HX340LAD mit 1,5 mm Blechdicke, bei 14 l/min Gasdurchfluss. Die Ergebnisse unterschieden sich deutlich:

• Argon: maximale Porosität 4,43 Prozent, Bewertungsgruppe D
• Stickstoff: maximale Porosität 1,35 Prozent, Bewertungsgruppe B
• CO₂: maximale Porosität 0,14 Prozent, Bewertungsgruppe B

Eingestuft wurde nach DIN EN ISO 13919-1. Als Kehrseite nennt der Beitrag mehr Spritzer mit CO₂, eine mögliche geringfügige Oberflächenoxidation und gegebenenfalls eine moderat höhere Laserleistung. Die Werte gelten für diese Anordnung und lassen sich nicht ohne Weiteres auf andere Werkstoffe übertragen.

Mehr Gas ist dabei nicht automatisch besser; Durchfluss und Zuführung müssen zur Anwendung passen.

Instabile Dampfkapillare beim Tiefschweißen

Beim Tiefschweißen dringt der Laserstrahl tief in den Werkstoff ein und erzeugt einen dünnen, mit Metalldampf gefüllten Kanal — die Dampfkapillare, englisch Keyhole. Forschende der Empa beschreiben, dass diese Kapillare instabil werden, in sich zusammenfallen und eine Pore in der Schweißnaht hinterlassen kann.

Untersuchungen zum Laser-Hybridschweißen von Aluminium beschreiben den Ablauf genauer: Die Kapillare schnürt sich ab, am Boden des Schmelzbads entsteht eine Gasblase, und die vorrückende Erstarrungsfront kann sie einfangen. Ein größeres Volumen an flüssigem Metall gibt der Blase dort mehr Zeit zum Entweichen.

Welche Parameter helfen, hängt stark vom Werkstoff ab:

• Schweißaufsicht im Betrieb nennt eine verringerte Vorschubgeschwindigkeit in Verbindung mit einem größeren Brennfleck, damit das Schmelzbad länger entgasen kann.
• Die Stuttgarter Dissertation fand bei Aluminium-Druckguss einen kritischen Geschwindigkeitsbereich mit maximaler Porenfläche. Mit weiter steigender Geschwindigkeit ergab sich dort eine feinverteilte Nahtporosität.
• Das Fraunhofer IWS berichtet für Aluminium-Druckguss von einer erheblich verbesserten Nahtqualität durch hohe Strahlqualität und hochfrequente Strahloszillation.

Eine Regel wie „langsamer ist immer besser“ lässt sich daraus nicht ableiten; Parameter müssen am jeweiligen Werkstoff und Stoß erprobt werden.

Poren erkennen und bewerten

Die Sichtprüfung erfasst nur, was an der Oberfläche liegt. Poröse Stellen, die bis an die Oberfläche reichen, sind sichtbar, eingeschlossene nicht. Für das Innere der Naht werden andere Verfahren eingesetzt:

• Durchstrahlungsprüfung: Nach Angaben der SLV Nord werden Dichteunterschiede im Werkstückinneren sichtbar, sodass Poren und Einschlüsse erkannt und unterschieden werden können. Schweißaufsicht im Betrieb nennt dafür DIN EN ISO 17636-1 und -2 und weist darauf hin, dass bei strahlgeschweißten Nähten Ober- und Unterseite abgearbeitet werden müssen.
• Ultraschallprüfung nach DIN EN ISO 17640.
• Zerstörende Prüfungen wie Bruchproben oder metallografische Schliffe, die stichprobenartig Einblick in die Naht geben.

Für die Bewertung gibt DIN EN ISO 13919-1 Anforderungen und Empfehlungen für Bewertungsgruppen für Unregelmäßigkeiten an Elektronen- und Laserstrahl-Schweißverbindungen aus Stahl, Nickel, Titan und deren Legierungen. Welche Gruppe für ein Bauteil gefordert ist, ergibt sich aus dessen Anforderungen, nicht aus der Norm allein.

Gegenmaßnahmen systematisch eingrenzen

Warum eine Naht porös wird, lässt sich selten mit einem Handgriff klären. Ein geordnetes Vorgehen hilft mehr als das gleichzeitige Verstellen vieler Größen:

1. Porenbild dokumentieren: Lage, Größe, Häufigkeit, betroffene Chargen oder Bauteile.
2. Werkstoff und Oberfläche klären: Beschichtung, Verzinkung, Druckguss, Öl, Oxid.
3. Fügestelle reinigen und die Zeit bis zum Schweißen kurz halten.
4. Feuchte und Kondensat ausschließen.
5. Schutzgas prüfen: Gasart, Durchfluss, Zuführung.
6. Parameter gezielt verändern: Vorschub, Brennfleck, gegebenenfalls Strahlführung.
7. Jede Änderung einzeln erproben und das Ergebnis prüfen.

Das Porenbild kann Hinweise geben: Treten Poren nur bei bestimmten Chargen auf, liegt ein Blick auf Werkstoff und Oberfläche nahe. Eine Ursachenprüfung ersetzt das nicht.

Fügestellenvorbereitung und Laserreinigung

Viele der beschriebenen Ursachen liegen vor dem ersten Schweißpunkt. Eine saubere, trockene und zeitnah geschweißte Fügestelle nimmt dem Prozess einen Teil seiner Gasquellen.

Übliche Verfahren sind unter anderem Lösemittel, Bürsten und Beizen. Laserreinigung kann ein weiterer Vorbereitungsschritt sein. Clean-Lasersysteme beschreibt als Hersteller das Entfernen von Umformschmierstoffen, natürlichen Oxiden, Ölen, Fetten, Hydraten und Shop-Primer vor dem Schweißen; bei verzinkten Blechen sollen oberflächennahe Zinkhydrate entfernt werden, ohne die Zinkschicht zu beschädigen. Das sind Herstellerangaben, die für das eigene Bauteil in Probeschweißungen bestätigt werden sollten.

Die Grenzen sind ebenso wichtig:

• Gase im Inneren des Werkstoffs, etwa bei Druckguss, erreicht keine Oberflächenreinigung.
• Eine instabile Dampfkapillare oder ein unzureichender Gasschutz bleibt davon unberührt.
• Die Innenflächen eines Überlappstoßes sind nach dem Fügen nicht mehr zugänglich und müssen vorher vorbereitet werden.
• Aluminium reagiert nach der Reinigung erneut mit der Umgebung.

Für die Vorbereitung der Fügestelle kommen im Beamlux-Programm sowohl die Reinigungsgeräte in Frage als auch das Laserschweißgerät, das neben dem Schweißen für Schweißnahtreinigung und Rostentfernung ausgelegt ist. Ob ein Gerät eine bestimmte Vorbereitungsaufgabe erfüllt, lässt sich nur am realen Bauteil beurteilen.

Arbeitsschutz

Bei handgeführter Laserreinigung und handgeführtem Laserschweißen ist die Laserstrahlung während des Betriebs zumindest teilweise offen zugänglich. Die DGUV Information 203-093 unterstützt die Gefährdungsbeurteilung für solche Laser-Einrichtungen und nennt Schädigungen von Augen und Haut als mögliche Folgen. Beim Schweißen verzinkter Bauteile entsteht zudem Zinkoxidrauch, der nach Fronius grippeähnliche Beschwerden auslösen kann; Fronius nennt eine wirksame Absaugung als Maßnahme. Dieser Beitrag ersetzt keine Gefährdungsbeurteilung.

Quellen

• Schweißaufsicht im Betrieb (WEKA) — Laserstrahlschweißen: Fehler und wie man sie vermeidet — Porenursachen durch Verschmutzungen, Zinkdampf und instabilen Dampfkanal; Reinigung und längeres Entgasen als Gegenmaßnahmen.
• Schweißaufsicht im Betrieb (WEKA) — Elektronenschweißnähte und Laserstrahlschweißnähte prüfen — Zerstörungsfreie Prüfverfahren für strahlgeschweißte Nähte mit den zugehörigen Normen.
• DER PRAKTIKER / Home of Welding — Mit Schutzgas die Porosität reduzieren — Untersuchung des Fraunhofer IPK zum Einfluss des Schutzgases beim handgeführten Laserstrahlschweißen.
• Home of Welding — Update für die DIN EN ISO 13919-1 — Anwendungsbereich der Norm zu Bewertungsgruppen für Unregelmäßigkeiten an Elektronen- und Laserstrahl-Schweißverbindungen.
• Reinhard Winkler — Porenbildung beim Laserstrahlschweissen von Aluminium-Druckguss — Dissertation Universität Stuttgart, Herbert Utz Verlag; werkstoffbedingte Poren, Prozessporen und Einfluss der Schweißgeschwindigkeit.
• Fraunhofer IWS — Neue Perspektiven für das Laserstrahlschweißen von Bauteilen aus Aluminium-Druckguss — Eingeschlossene Gase, Formtrennmittel und hochfrequente Strahloszillation.
• all-electronics — Laserschweißen: Mess-System erkennt unerwünschte Poren automatisch in Echtzeit — Bericht über Forschung der Empa; Zusammenbruch der Dampfkapillare als Porenursache.
• Xu et al., Materials — Influence of Arc Power on Keyhole-Induced Porosity in Laser + GMAW Hybrid Welding of Aluminum Alloy — Abschnürung der Kapillare, Gasblasen am Schmelzbadboden und Einfangen durch die Erstarrungsfront.
• TU Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik — Projekt MultiZink — Störung der Dampfkapillare durch Zink und Entgasungsspalte beim Überlappstoß.
• Schweißen und Schneiden — Strahlschweißen von verzinkten Stahlblechen im Überlappstoß ohne voreingestellten Entgasungsspalt — Strahlformung mit bifokalen und ringförmigen Spotanordnungen.
• Fronius — Verzinktes Blech schweißen oder löten? — Schmelz- und Verdampfungstemperatur von Zink, Porenbildung und Zinkoxidrauch.
• ERL GmbH Schweissen + Schneiden — Schweißen von Aluminium — Wasserstofflöslichkeit, Oxidschicht, Kondensation, Reinigung vor dem Schweißen und Arbeitsschutz bei Lösemitteln.
• SLV Nord — Durchstrahlungsprüfung — Erkennen von Poren und Einschlüssen über Dichteunterschiede.
• Clean-Lasersysteme GmbH — Vorbehandeln zum Löten und Schweißen — Herstellerunterlage zur Laservorbehandlung von Fügestellen.
• DGUV Information 203-093 — Handlungshilfe für die Gefährdungsbeurteilung beim Betrieb von offenen Laser-Einrichtungen zur Materialbearbeitung mit Handführung oder Handpositionierung — Anwendungsbereich und Gefährdungen durch offen zugängliche Laserstrahlung.

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