Ein Leitfaden für Bauleiterfehlgeschlagene exotherme Schweißungen— die fünf Prozessursachen, der diagnostische Durchlauf und eine interaktive Schweißfehlerdiagnose, die Sie ausführen können, bevor Sie irgendetwas herausschneiden.

Vor drei Wochen schickte mir ein Bauunternehmer aus Cebu um 23 Uhr Ortszeit Fotos. Im vorangegangenen Quartal waren 200 exotherme Schweißverbindungen an einem Erdungsnetz eines 33-kV-Umspannwerks gegossen worden. Die Inbetriebnahme war für den nächsten Morgen geplant. Die Hälfte der Verbindungen sah einwandfrei aus. Die andere Hälfte wies Mikro-Lecks entlang des Leiteraustritts auf und hatte einen Widerstand zwischen 600 und 900 Mikroohm, im Vergleich zu gesunden 30 bis 50 Mikroohm bei der einwandfreien Hälfte. Der Lieferant – nicht wir – hatte die Verbindung geliefert.Schweißmetallpulverauf einem Schiff, das drei Tage lang im Regen an einem Dock in Manila lag. Niemand öffnete auch nur eine einzige Kartusche, um nachzusehen.

Dieser Anruf ist der Anlass für diesen Artikel. Nach 17 Jahren Bearbeitungexotherme SchweißformenFür ausländische Käufer – und nach zwölf Jahren Erfahrung mit deren Inbetriebnahmeberichten – glaube ich nicht mehr an plötzliche Ausfälle. Was plötzlich erscheint, ist fast immer ein Prozessfehler, der niemandem aufgefallen ist, weil die Spezifikationen keine Hinweise darauf enthielten. Hier ist die Liste der Schritte, die ich jedem Auftragnehmer sende, der sich mit einem unerklärlichen Fehler an mich wendet, in der Reihenfolge, in der ich den Vorgang vor Ort mit ihm durchgehe.

Warum eine fehlgeschlagene Thermitschweißung fast nie so versagt, wie man es erwartet

Ich muss zunächst die Konstruktion hinterfragen, da sie jede Entscheidung des Teams bei der Fehlersuche beeinflusst. Wenn mich ein Handwerker wegen einer „fehlerhaften Schweißnaht“ anruft, stelle ich ihm als Erstes eine Frage:Hat die Verbindung jemals einen Widerstandstest bestanden oder ist sie bei der Inbetriebnahme und der ersten Messung durchgefallen?Die Antwort verändert alles, denn eine im Betrieb verschleißende Fuge und eine Fuge, die von Anfang an defekt war, sind zwei völlig unterschiedliche Probleme mit zwei völlig unterschiedlichen Ursachen.

Laut der Literatur zum Alterungsmanagement von erdverlegten elektrischen Verbindungen, auf die sich US-amerikanische Energieversorgungsunternehmen beziehen (NUREG-1800, der Bericht „Generic Aging Lessons Learned“, der zur Rechtfertigung jahrzehntelanger Anlagenlebensdauerverlängerungen verwendet wurde), sind die dokumentierten Degradationsmechanismen für jede erdverlegte Verbindung thermische Zyklen, ohmsche Erwärmung, Vibration und Korrosion – und der Bericht stellt ausdrücklich fest, dass es sich um Mechanismen handelt, die an Grenzflächen wirken.Die exotherme Schweißung hat keine Grenzfläche zur AlterungDa die Leiter und das geschmolzene Kupfer während der Reaktion zu einem durchgehenden Metallstück verschmelzen, liegt der Fehler bei einer fachgerecht ausgeführten exothermen Schweißnaht im Betrieb fast nie im Schweißgut selbst, sondern in einem Leiterabschnitt, der nie vollständig durchgeschweißt wurde, oder in einem durch Temperaturwechsel entstandenen Mikrospalt, der durch eine fehlerhafte Pulvermenge am Gießtag entstanden ist.

Wie ein „Mängel vom Gießtag“ bei einer forensischen Demontage tatsächlich aussieht

Die zweihundert Cebu-Fugen lehrten mich ein Muster, das sich seither bei nahezu jedem Ausfall mehrerer Fugen bestätigt hat. Wenn wir eine defekte Fuge aufschneiden und den Querschnitt polieren, sehen wir eine von fünf wiederkehrenden Mikrostrukturen, und jede lässt sich eindeutig einer der fünf Prozessursachen zuordnen, die im weiteren Verlauf dieses Artikels beschrieben werden:

• Die Poren konzentrierten sich in der Nähe der Leiteroberfläche.Dampf entsteht durch eingeschlossene Feuchtigkeit – meist feuchtes Pulver, manchmal ein feuchter Leiter, gelegentlich kondensiert er in einer kalten Form.
• Eine Oxidschichtung parallel zur Leiterachse.Verunreinigungen zwischen Leiter und Schweißgut – Öl von einem Fingerabdruck, Restoxid von einem schlecht gereinigten Kabel oder ein Trennmittelfilm von einer Form, die nie vorgeheizt wurde.
• Ein unterfüllter Hohlraum mit einer konkaven Wulstoberfläche.Eine Graphitform, die ihre maximale Zyklenzahl überschritten hat, oder eine Pulverladung, die für den Leiterquerschnitt, den der Guss füllen sollte, zu klein ist.
• Eine Kaltverbindung, bei der zwei Metallfronten nicht miteinander verschmolzen sind.Der Zündzeitpunkt war für die Temperatur der Form nicht korrekt – fast immer, weil ein Team versuchte, eine Form direkt aus einem klimatisierten Laden an einem kalten Morgen zu entzünden.
• Eine Schweißnaht, die nur mit einem der beiden Leiter einer Kreuzung verbunden ist.Fehlausrichtung der Form beim Schließen oder Verrutschen einer Pulverscheibe vom Zündloch während der Zündung.

Sobald Sie gelernt haben, diese fünf Mikrostrukturen zu lesen, gehört das Rätselraten der Fehlersuche der Vergangenheit an. Der Rest dieses Leitfadens beschreibt jede Ursache in der Reihenfolge, in der ich sie vor Ort untersuchen würde, und führt Sie durch den Verifizierungsschritt, der die Ursache beweist, bevor Sie auch nur eine einzige Verbindung herausschneiden.

Ist Feuchtigkeit die eigentliche Ursache für das Versagen einer Thermitschweißung?

Feuchtigkeit ist die häufigste und am ehesten nachvollziehbare Fehlerursache. Das geschmolzene Kupfer aus der exothermen Reaktion hat eine Temperatur von etwa 1083 °C – dem Schmelzpunkt von Kupfer – und sobald es mit Wasser in Kontakt kommt, verdampft dieses schlagartig und dehnt sich um das etwa 1700-fache seines Volumens aus. Der Dampf dringt durch das noch flüssige Schweißgut, hinterlässt Lunker und die Verbindung ist bereits vor dem Abkühlen beschädigt.OSHA-Unfalluntersuchungen bei ThermitschweißarbeitenDieser einzelne Mechanismus hat mehr Zündverletzungen und Verbrennungen bei der Besatzung verursacht als jeder andere Fehler bei exothermen Prozessen.

Der Grund, warum dies so still und leise scheitert, ist, dass Feuchtigkeit drei Versteckmöglichkeiten hat, von denen nur eine offensichtlich ist.

• Feuchtes Pulver.Die häufigste Ursache für Ausfälle bei Großpackungen. Pulver wird aus gutem Grund in versiegelten Dosen transportiert – sobald eine Dose geöffnet ist, ist der Inhalt hygroskopisch und nimmt in Küstenregionen innerhalb weniger Stunden die Luftfeuchtigkeit auf. Eine Kartusche, die „trocken aussieht“, ist nicht trocken.
• Feuchte Leiter.Kupferlitzen und kupferplattierter Stahl speichern Feuchtigkeit in den Zwischenräumen der Litzen. Ein Kabel, das während eines Regenschauers unbedeckt vor Ort gelagert wurde, ist innen feucht, selbst wenn es äußerlich trocken aussieht. Eine mit einem Schweißbrenner getrocknete Oberfläche nimmt in feuchter Luft innerhalb weniger Minuten wieder Feuchtigkeit auf.
• Kaltschimmelkondensation.Eine Graphitform, die bei 18 °C aus einem klimatisierten Lagerraum in einen Morgen mit 32 °C und 85 % Luftfeuchtigkeit gebracht wird, bildet an ihrer Hohlraumwand einen Wasserfilm, bevor der Leiter eingesetzt ist. Beim Gießen wird dieser Film dann zwischen Formwand und flüssigem Metall eingeschlossen.

Die Cebu-Autopsie in drei Zeilen

Die Verbindungen in Cebu schlugen fehl, weil das Pulver auf einem regennassen Dock gelagert war und die Arbeiter die Dosen erst am Morgen des Gießvorgangs öffneten. Sie verwendeten das Pulver trotzdem, da es trocken aussah – und die Unterseite der Raupe wies an jeder fehlgeschlagenen Verbindung genau das typische Muster von Blasen auf, das durch Feuchtigkeit verursachter Dampf hinterlässt. Eine 20-minütige Trockenmittelprüfung an drei Probekartuschen vor dem Gießen hätte die gesamte Charge erfasst, und die Arbeiter hätten gewusst, dass der Rest unter Quarantäne gestellt werden muss.

Ist Ihre Graphitform über ihre zulässige Nutzungsdauer hinaus verschlissen?

Dies ist die Ursache, mit der Lieferanten am schlechtesten umgehen können, da die Fehlerursache für den Käufer unsichtbar ist und die Zykluszahl nur dem Lieferanten bekannt ist.nVent ERICOs Cadweld-ProduktliteraturGraphitformen werden auf etwa 50 bis 100 Nutzungszyklen ausgelegt, und in unserer Produktionslinie bewerten wir unsereThermit-SchweißformenBei 50 bis 100 Zyklen und 80 bis 100 Verbindungen im normalen Feldeinsatz ist der Hohlraum so weit abgenutzt, dass das Abstichloch das flüssige Metall nicht mehr sauber in die Verbindung dosiert.

Das eindeutige Anzeichen für eine verschlissene Gussform ist kein sichtbarer Riss, sondern die Schweißnaht, die ihre kissenförmige Gestalt verliert und sich in der Mitte nach innen wölbt. Eine neue Gussform erzeugt eine Schweißnaht, die sich sanft über den Leiter wölbt, da die Pulverladung den Hohlraum leicht überfüllt und der Überschuss in den Steigrohrbereich einschweißt. Eine verschlissene Gussform ist unterfüllt, da sich der Hohlraum so weit vergrößert hat, dass die gleiche Pulverladung nicht mehr für eine Wölbung ausreicht. Die Monteure gleichen dies durch Nachfüllen von Pulver aus, was den Hohlraum überhitzt und den Verschleiß beschleunigt – ein Teufelskreis, der etwa zwanzig misslungene Gussvorgänge benötigt, um eine Gussform vollständig zu zerstören.

Wie Sie eine Form bewerten, die Sie nicht bei uns gekauft haben

Wenn Sie Formen von einem anderen Lieferanten übernommen haben, wiegen Sie eine davon gegen eine nachweislich funktionierende Form mit derselben Geometrie. Eine Graphitform verliert durch thermische Erosion und Reinigung etwa 3 bis 8 Gramm pro Zyklus; eine Form, die 50 Gramm unter ihrem Ausgangsgewicht liegt, hat mehr Zyklen durchlaufen, als ihre Nennleistung zulässt. Zweitens: Betrachten Sie die Form der Schweißnaht der letzten fünf Gussvorgänge – wenn eine davon nach innen gewölbt ist, wurde die Form über ihre zulässige Nutzungsdauer hinaus beansprucht.IEEE Std 837-2014Im Rahmen des Qualifizierungsrahmens für permanente Erdungsanschlüsse in Umspannwerken ist die Geometrie des Schweißhohlraums Teil des Qualifizierungsnachweises – daher stellt eine verschlissene Form nicht nur ein Qualitätsrisiko dar, sondern auch ein Konformitätsrisiko gegenüber der Norm, nach der die Verbindung spezifiziert wurde.

Könnte eine zu geringe Pulverladung Ihre Schweißnähte unbemerkt beeinträchtigen?

Pulver wird nicht ohne Grund in standardisierten Patronengrößen angeboten.Da das Verhältnis von Pulvermasse zu Kupfermasse die Variable ist, die darüber entscheidet, ob die Reaktion genügend Wärme erzeugt, um den Leiterquerschnitt vollständig aufzuschmelzen, führt eine Unterdimensionierung der Kartusche zu einer Verbindung, die außen fest ist, aber an der Leitergrenzfläche nicht vollständig verschmolzen ist.Die Lötstelle sieht in Ordnung aus. Der Widerstand zeigt die Wahrheit erst sechs Monate später, wenn sich die Lötstelle unter dem ersten Fehlerstrom erhitzt.

Die ehrliche Erklärung für dieses Problem ist, dass Monteure manchmal eine kleinere Kartusche verwenden, wenn die richtige Größe nicht vorrätig ist, in der Annahme, dass „mehr oder weniger die gleiche Metallmenge“ vorhanden sei. Die unehrliche Erklärung ist, dass manche Lieferanten eine 115er Kartusche zum Preis einer 150er verkaufen, weil im Bestellformular des Auftragnehmers „Kabel-zu-Kabel 50 mm²“ angegeben ist, ohne das vollständige Adernpaar zu spezifizieren. Beide Varianten enden mit der gleichen Lötstelle: einer schönen Wulst, einem versteckten Mikrospalt am Leiter und einem Widerstand, der mit der Zeit ansteigt.

Sind Abkürzungen bei der Leitervorbereitung die versteckte Ursache für hochohmige Verbindungen?

Ich habe schon erlebt, wie Arbeiter zwanzig Minuten damit verbrachten, den sichtbaren Teil eines Kupferdrahtes zu reinigen und dabei den Abschnitt, der in die Formkavität kommt, ausließen, weil im Datenblatt „bis auf blankes Metall reinigen“ steht, ohne jedoch anzugeben, wie.Da sich die Verbindung an der Leiteroberfläche bildet, die sich zum Zeitpunkt des Gießens innerhalb des Hohlraums befindet, entsteht in einem verunreinigten Bereich unterhalb des Hohlraums eine Verbindung, die außen metallurgisch durchgehend und innen oxidlaminiert ist.

Die häufigste Verunreinigung, die ich bei forensischen Demontagen feststelle, ist nicht Schmutz, sondern der Fingerabdruck. Die Monteure handhaben den Leiterabschnitt, der in die Form kommt, und hinterlassen dabei einen dünnen Hautfettfilm. Das geschmolzene Kupfer kann diesen Film nicht durchdringen und sich nicht mit dem Grundmetall verbinden. Das Ergebnis ist eine Verbindung mit einer durchgehenden Oxidschicht zwischen Schweißgut und Leiter. Genau diese Art von Grenzfläche beschreibt NUREG-1800 als einen Degradationspfad unter thermischer Belastung.

• Verwenden Sie für jedes Leitermaterial eine separate, scharfe Stahlbürste – Kupfer, kupferplattierter Stahl und verzinkter Stahl benötigen jeweils ihre eigene Bürste.
• Wischen Sie den gereinigten Bereich mit einem fusselfreien, mit Isopropylalkohol angefeuchteten Tuch ab, nicht mit der behandschuhten Hand.
• Reinigen Sie den Leiter erneut, wenn er vor dem Gießen länger als 15 Minuten an der Luft lag, da frisches Kupfer in Küsten- und Industriegebieten schnell wieder oxidiert.
• Halten Sie den gereinigten Bereich ab diesem Zeitpunkt mit einer sauberen Zange oder einem sauberen Tuch fest – Hautkontakt vermeiden.

Verursacht eine falsche Zündzeitpunktverstellung aufgrund von Kaltschimmel Ihre Ausfälle in der Morgenschicht?

Dies ist die Ursache, die niemand schriftlich festhält, da sie eher nach einem Bedienungsfehler als nach einem Prozessfehler klingt. Tatsächlich ist die exotherme Reaktion auf einen bestimmten Temperaturbereich abgestimmt, und eine Form, die zum Zeitpunkt der Zündung unter etwa 25 °C liegt, verhält sich anders als eine vorgewärmte. Das Ausgangspulver entzündet sich, die Reaktionsfront breitet sich durch die Charge aus, doch das geschmolzene Kupfer gibt Wärme schneller an den kalten Graphit ab, als die Reaktion sie wiederherstellen kann, und das Metall erreicht den Leiterhohlraum unterhalb der Schmelztemperatur. Die Perle bildet sich dennoch. Die Verschmelzung ist unvollständig.

Dies ist überwiegend ein Problem der Frühschicht an Standorten in gemäßigten oder kalten Klimazonen und überwiegend ein Problem der Spätschicht an tropischen Standorten, wo die Arbeiter ihre Formen in klimatisierten Lagerräumen vorkühlen, um sie zu „konservieren“. Beide Vorgehensweisen führen zum gleichen Fehlerbild: einer Kaltnaht, an der zwei Metallfronten aufeinandertreffen, aber nicht vollständig verschmolzen sind. Im Querschnitt ist dies als scharfe Unterbrechung der Kornstruktur parallel zur Hohlraumwand sichtbar.

Checkliste für forensische Untersuchungen: Was tun, wenn ein Gelenk bei der Inbetriebnahme versagt?

Wenn eine Betonierfuge bei der Inbetriebnahme versagt, gehen Sie bei der Fehlersuche in dieser Reihenfolge vor. Die ersten drei Prüfungen dauern vor Ort weniger als eine Stunde und beheben etwa 80 % der Fehler an mehreren Fugen, ohne dass dafür Material entfernt werden muss.

1. Überprüfen Sie die Chargenhistorie des Pulvers.Wann wurde das Pulver geliefert, wie wurde es gelagert und wurden vor dem Ausgießen Dosen geöffnet? Jede positive Antwort deutet auf Feuchtigkeit hin (Ursache 1).
2. Ziehen Sie das Schimmelprotokoll heraus.Wie viele Zyklen hat die Form bereits absolviert? Vergleichen Sie dies mit der Angabe von 50–100 Zyklen. Formen, die ihre empfohlene Lebensdauer überschritten haben, werden vor dem nächsten Guss ausgetauscht (Ursache 2).
3. Prüfen Sie die Korngröße des Pulvers anhand der Leiterspezifikationen.Vergleichen Sie die Kartuschengröße auf jeder Dose mit der Leiterkombination an der Verbindungsstelle. Bei Fehlpaarungen wird die Kartusche verwendet und das Produkt nachgefüllt (Ursache 3).
4. Untersuchen Sie drei defekte Verbindungen im Querschnitt.Ein Bandsägeschnitt und anschließendes Polieren genügen, um Lunker (Ursache 1), Oxidschichtung (Ursache 4), Unterfüllung (Ursachen 2 und 3) oder Kaltschweißstellen (Ursache 5) zu erkennen.
5. Fehler bei der Zuordnung zur Gießsequenz.Gehäufte Ausfälle zu Schichtbeginn deuten fast immer auf Ursache 5 (Kaltschimmel) hin. Gehäufte Ausfälle am Ende einer Pulvercharge deuten auf Ursache 1 (feuchtes Pulver) hin. Gleichmäßig über eine Schicht verteilte Ausfälle deuten auf Ursache 2 oder 4 hin.

Wenn die Fehler alle fünf Prüfungen überstehen, liegt die Ursache mit hoher Wahrscheinlichkeit in der Umgebung – Bodenbeschaffenheit, Streuströme oder galvanische Korrosion an der durch die Schweißnaht entstandenen Grenzfläche – und die Diskussion muss sich vom Prozess auf die Konstruktion verlagern. Dieses Thema verdient einen eigenen Artikel.

Nachgießverfahren: Zurückschneiden, nicht wieder anschweißen

Ist eine Schweißverbindung versagt, besteht die einzig fachgerechte Reparatur darin, die Schweißnaht bis über die Wärmeeinflusszone hinaus zurückzuschneiden und den Leiter komplett neu vorzubereiten. Das Aufgießen von frischem Schweißgut auf eine defekte Verbindung führt nicht zu einer zuverlässigen Verschmelzung des neuen Metalls mit dem alten, da die ursprüngliche Grenzfläche bereits ihre eigene Metallurgie entwickelt hat und eingeschlossene Poren als Keimbildungsstellen für den nächsten Ausfall dienen. Der Rückschnitt sollte auf jeder Seite der ursprünglichen Verbindung mindestens 50 mm sauberen Leiters umfassen, die neue Form sollte innerhalb ihrer Zyklenzahl liegen und das Pulver aus einer frisch geöffneten, geprüften Trockendose stammen.

Der zweite Gussvorgang ist auch der richtige Zeitpunkt, die Form zu verbessern, falls der Fehler auf Verschleiß der Form hindeutet. Wir versenden unsereexotherme SchweißformenMit einem fortlaufend aktualisierten Zyklusprotokoll können Käufer die Historie jeder Form innerhalb eines Projekts nachverfolgen. Dieses Protokoll sollte auch bei jedem Formwechsel zwischen verschiedenen Standorten mitgeführt werden. Eine Form, deren Historie nicht nachvollziehbar ist, ist nicht vertrauenswürdig.

Wie Sie Ihren aktuellen Lieferanten prüfen können, ohne jemanden zu beleidigen.

Die meisten Anrufe zu diesem Thema beginnen nicht mit einem Fehler. Sie beginnen mit einem Einkäufer, der gerade beauftragt wurde, einen neuen Lieferanten zu qualifizieren, oder einem Ingenieur, der einen Prozess übernommen hat, den er nicht selbst entwickelt hat. Sie möchten wissen, welche Fragen sie stellen sollten, bevor es zum nächsten Fehler kommt. Ehrlich gesagt, kann fast jeder Lieferant eine Form liefern, die am Gießtag funktioniert. Die schwierigere Frage ist, ob er dokumentieren kann, warum sein Produkt funktioniert hat, und ob er die Verantwortung übernimmt, wenn es nicht funktioniert.

Bei diesem speziellen Problemfeld trennen drei Fragen einen echten Lieferanten von einem Preisnachlassanbieter, und ich würde jeden Käufer in dieser Reihenfolge durch diese Fragen führen.

1. „Zeigen Sie mir Ihre Vorlage für das Formzyklusprotokoll.“Ein Lieferant, der die Zykluszahlen erfasst, weiß, dass Formen verschleißen. Ein Lieferant, der das nicht weiß, riskiert, dass Ihr Problem durch einen einzigen Fehlguss zu seinem wird.
2. „Wie sieht die Rückverfolgbarkeit Ihrer Pulverchargen aus?“Jede Dose sollte eine Chargennummer, ein Herstellungsdatum und einen Versiegelungshinweis tragen. Ein Lieferant, der loses Pulver in unbeschriftete Dosen umfüllt, stellt ein Feuchtigkeitsrisiko in den Dosen dar.
3. „Wie stehen Sie zur Verwendung von unterdimensionierten Patronen?“Die ehrliche Antwort lautet: „Wir lehnen die Bestellung ab, bis Sie den Leiterquerschnitt bestätigt haben.“ Die gefährliche Antwort lautet: „Wir können Ihnen heute noch eine kleinere Dose liefern.“

Wir haben unsere Exportdokumentation um diese drei Fragen herum aufgebaut, weil unsere eigenen Fehleruntersuchungen immer wieder zu diesen Fragen zurückkehren. Es sind auch die Fragen, die ich mir stellen würde, wenn ich ein Käufer wäre.

Schweißnahtfehlerdiagnose – Wählen Sie das Symptom, das Sie vor Ort beobachten

Bevor Sie auch nur eine einzige Fuge herausschneiden, führen Sie diese Diagnose durch. Wählen Sie das Symptom, das Ihren Beobachtungen vor Ort entspricht – sei es das visuelle, das elektrische oder das zeitliche Muster – und das Tool ordnet es der wahrscheinlichsten der fünf oben genannten Ursachen zu, gibt Ihnen eine Einschätzung der Erfolgswahrscheinlichkeit und listet die sofort zu ergreifenden Maßnahmen vor dem nächsten Betoniervorgang auf. Diesen Entscheidungsbaum erkläre ich auch einem Käufer telefonisch, wenn eine Fehlermeldung eingeht.

Häufig gestellte Fragen zu fehlgeschlagenen exothermen Schweißungen

Jane Yang• Vertriebsleiter, Xinchang Shibang New Material Co., Ltd.
12 Jahre Erfahrung im Blitzschutz und Erdungshandel · 17 Jahre Werksfertigung hinter jeder Empfehlung.
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