Es ist möglich, Gusseisen zu schweißen, obwohl es aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts problematisch sein kann. Der Kohlenstoffgehalt liegt oft bei 2-4%, was etwa dem Zehnfachen der meisten Stähle entspricht. Durch den Schweißprozess wandert der Kohlenstoff in das Schweißgut bzw. in die Wärmeeinflusszone, was zu erhöhter Sprödigkeit und Härte führt. Dies wiederum kann zu Rissbildung während und nach dem Schweißen führen.
Gusseisen besteht aus verschiedenen Gefügebestandteilen in unterschiedlichen Anteilen, was es schwierig macht, festzustellen, wie fest das Metall ist, mit dem Sie arbeiten, und wie viel Hitze es aushalten kann, bevor es reißt. Zu den verschiedenen Gusseisensorten gehören Temper- und Sphäroguss, aber die am häufigsten verwendete Sorte ist Grauguss. Es ist oft schwierig, den Unterschied zwischen diesen verschiedenen Arten von Gusseisen ohne detaillierte metallurgische Analyse zu erkennen.
Trotzdem ist Gusseisen ein langlebiges, verschleißfestes Metall, das schon seit Jahrhunderten verwendet wird.
Gusseisen oder Stahl?
Gusseisen ist, wie Stahl, eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Während Gusseisen einen Kohlenstoffgehalt von 2-4% aufweist, benötigt Stahl einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 2%. Es ist dieser Kohlenstoffgehalt, der Gusseisen eine rauere Haptik verleiht und es spröder macht als Stahl. Der Kohlenstoff macht Gusseisen auch zu einem schlechten Leiter, so dass es länger braucht, es zu erhitzen oder abzukühlen.
Während rostfreier Stahl weniger als 1,2 % Kohlenstoff enthält (sowie Chrom, um Korrosion zu verhindern), enthält Kohlenstoffstahl bis zu 2 %, hat also einen Kohlenstoffgehalt zwischen rostfreiem Stahl und Gusseisen. Kohlenstoffstahl hat eine matte Oberfläche und ist viel härter als Edelstahl, aber er kann korrodieren. Außerdem ist er teurer als Gusseisen.
Ist es schwer, Gusseisen zu schweißen?
Wie bereits erwähnt, ist es manchmal schwierig, Gusseisen zu schweißen, aber es ist nicht unmöglich, wenn Sie die richtige Schweißtechnik anwenden, um Schweißrisse zu vermeiden. Dazu gehören eine sorgfältige Erwärmung und Abkühlung, was oft das Vorwärmen, die richtige Auswahl der Schweißzusatzwerkstoffe und das langsame Abkühlen des Metalls beinhaltet.
Die meisten Gusseisenwerkstoffe haben eine kritische Temperatur von 788 °C, bei der Risse auftreten können. Obwohl das Material über diesen Punkt erhitzt werden kann, ist es wichtig, diese Hitze nicht zu lange aufrechtzuerhalten, da der Kohlenstoff das Metall schrumpfen und rissig werden lässt. Um dies zu vermeiden, ist es wichtig, das Material nach dem Schweißen entweder langsam abkühlen zu lassen, oder die Temperatur so kühl zu halten, dass die Abkühlgeschwindigkeit keine Rolle spielt.
Schritte vor dem Schweißen von Gusseisen
Um ein effektives Schweißen von Gusseisen zu gewährleisten, gibt es eine Reihe von wichtigen Schritten, die durchgeführt werden können. Dazu gehören:
1. Identifizieren der Legierung
Gusseisen reißt, wenn es erhitzt oder belastet wird, anstatt sich zu dehnen oder zu verformen. Dies kann durch die Zugabe verschiedener Legierungen verbessert werden. Das bedeutet, dass es nützlich ist, zu verstehen, mit welcher Art von Legierung Sie arbeiten:
- Grauguss: Dies ist die häufigste Art von Gusseisen und ist besser dehnbar und leichter schweißbar als weißes Gusseisen (siehe unten). Der Kohlenstoff wird während der Herstellung in Graphitflocken ausgeschieden und bildet entweder eine ferritische oder perlitische Kristallstruktur, was dieser Legierung ihren Namen gibt. Diese Graphitflocken können jedoch in das Schweißbad gelangen und Versprödung verursachen.
- Weißes Gusseisen: Weißes Gusseisen scheidet den Kohlenstoff nicht als Graphit aus, sondern speichert ihn als Eisenkarbid. Das kristalline Gefüge dieser Gusseisenform wird Zementit genannt und ist sehr hart und spröde. Weißes Gusseisen gilt allgemein als nicht schweißbar.
- Sphäroguss, d.h. Gusseisen mit Kugelgraphit: Dieses duktile, sphärolithische, schmiedbare Gusseisen hat aufgrund besonderer Herstellungsprozesse ein kugelförmiges Kohlenstoffgefüge, wodurch es weniger spröde und leichter zu schweißen ist.
Der einfachste Weg, festzustellen, mit welcher Art von Gusseisen Sie arbeiten, ist die Überprüfung der ursprünglichen Spezifikation. Andernfalls kann Ihnen eine spektrochemische Analyse sagen, mit welchem Werkstoff Sie arbeiten, und ein erfahrener Praktiker kann mit Hilfe der Funkenprüfung feststellen, um welche Legierung es sich handelt.
Es gibt noch einige andere Möglichkeiten, den Unterschied zwischen den Legierungen zu erkennen: Grauguss ist entlang einer Bruchstelle grau, während weißes Gusseisen aufgrund des enthaltenen Zementits an der Bruchstelle eine weißere Farbe hat. Allerdings zeigt z.B. Sphäroguss auch einen weißlichen Bruch, ist aber viel besser schweißbar.
2. Reinigen des Gusses
Es ist wichtig, die Legierung vor dem Schweißen zu reinigen. Dabei müssen alle Oberflächenanhaftungen wie Farbe, Fett und Öl entfernt werden, wobei besonders auf den Bereich der Schweißnaht zu achten ist. Durch vorsichtiges und langsames Erwärmen des Schweißbereichs für kurze Zeit werden auch Gaseinschlüsse entfernt, die in der Schweißzone des Grundmaterials eingeschlossen ist.
Ein Schweißraupe auf der Oberfläche des Materials ist möglicherweise porös und zeigt eventuell noch vorhandene Verunreinigungen. Sie können diese Raupe notfalls so oft abschleifen, die Schweißung wiederholen und begutachten, bis die Porosität verschwindet.
3. Auswählen der richtigen Vorwärmtemperatur
Der wichtigste Faktor zur Vermeidung von Spannungsrissen in Gusseisen ist die Kontrolle der Wärme. Dies liegt an der Wärmeausdehnung, denn wenn sich Metall erwärmt, dehnt es sich aus. Wenn das gesamte Objekt gleichmäßig erwärmt wird und sich gleichzeitig ausdehnt, entstehen keine Spannungen, jedoch können Spannungen entstehen, wenn die Wärme in einer kleinen Wärmeeinflusszone (WEZ) lokalisiert ist.
Die örtliche Erwärmung führt zu einer eingeschränkten Ausdehnung, da die WEZ durch das umgebende kühlere Metall eingeschlossen wird. Die thermische Differenz zwischen diesen beiden Ersitzungen bestimmt die resultierende Spannung. Duktile Metalle wie Stahl sind in der Lage, die Spannung durch Dehnung abzubauen, aber da Gusseisen nur eine geringe Duktilität aufweist, neigt es stattdessen zu Rissen. Das Vorwärmen reduziert das thermische Gefälle zwischen der WEZ und dem umgebenden Gusskörper, wodurch die durch das Schweißen verursachte Zugspannung minimiert wird. Schweißverfahren mit höheren Temperaturen erfordern höhere Vorwärmtemperaturen.
Das Vorwärmen von Gusseisen vor dem Schweißen verlangsamt die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht und der Umgebung. Wenn möglich, erwärmen Sie das gesamte Gussteil. Die Vorwärmtemperaturen liegen typischerweise im Bereich von 260-650 °C und sollen nicht über 760 °C liegen, da hier der kritische Temperaturbereich beginnt. Das Vorwärmen sollte auf jeden Fall langsam und gleichmäßig erfolgen.
Wenn ein ausreichend heißes Vorwärmen nicht möglich ist, ist die beste Alternative die Verwendung eines Schweißverfahrens mit niedrigeren Temperaturen unter Verwendung von Schweißzusatzdrähten oder Stabelektroden mit niedrigem Schmelzpunkt.
4. Auswahl der richtigen Schweißtechnik
Gusseisen kann mit oder ohne Vorwärmung geschweißt werden, aber diese Entscheidung bestimmt die beste Schweißtechnik. Wie oben erwähnt, ist es im Allgemeinen vorzuziehen, Gusseisen mit Vorwärmung zu schweißen. Wo dies nicht möglich ist, ist es wichtig, das Metall kühl zu halten, aber sobald Sie sich entschieden haben, ob Sie vorwärmen wollen oder nicht, sollten Sie bei dieser Methode bleiben.
Vorgewärmte Schweißnähte
Wenn Sie eine Vorwärmung verwenden, sollten Sie eine Schweißtechnik mit einem niedrigen Strom verwenden, um Eigenspannungen und Beimischungen zu minimieren. Es kann auch notwendig sein, jeweils nur kleine Bereiche von etwa 25 mm Länge zu schweißen, um Spannungsaufbau zu vermeiden. Das Hämmern von Schweißraupen, z. B. mit einem Kugelhammer, kann ebenfalls hilfreich sein, um Spannungen zu reduzieren.
Lassen Sie das Teil nach Abschluss der Schweißarbeiten langsam abkühlen. Sie können dies unterstützen, indem Sie das Gussteil in eine Isolierdecke einwickeln oder es in trockenem Sand vergraben, um die Abkühlgeschwindigkeit zu verlangsamen und die Wahrscheinlichkeit von Rissen zu verringern.
Nicht vorgewärmte Schweißnähte
Sollten Sie nicht in der Lage sein, das Gusseisen vorzuwärmen, sollten Sie das Teil während des Schweißens kühl (nicht kalt) halten. Erhöhen Sie die Gussteiltemperatur auf etwa 37 °C, aber niemals so weit, dass Sie Ihre Hand nicht mehr darauf legen können, denn das wäre zu heiß.
Halten Sie Ihre Schweißnähte kurz (etwa 25 mm Länge) und hämmern Sie die Schweißnaht nach dem Schweißen (Peenen). Lassen Sie den Guss auf natürliche Weise abkühlen, anstatt Druckluft oder Wasser anzuwenden, und füllen Sie alle Krater auf. Versuchen Sie außerdem, die Raupen in der gleichen Richtung abzusetzen und achten Sie darauf, dass die Enden paralleler Raupen nicht aneinanderstoßen.
Welche Schweißverfahren sind zum Schweißen von Gusseisen geeignet?
Es gibt mehrere Schweißverfahren, die für Gusseisen verwendet werden können, einschließlich Lichtbogenhandschweißen, MIG-Schweißen, WIG-Schweißen, Autogen-Schweißen und Hartlöten. Jedes Verfahren hat seine eigenen Vor- und Nachteile beim Schweißen von Gusseisen:
1. Lichtbogenhandschweißen
Diese Art des Schweißens, auch bekannt als E-Handschweißen oder Elektrodenschweißen, gilt allgemein als das beste Verfahren zum Schweißen von Gusseisen – vorausgesetzt, dass die richtigen Schweißzusatzwerkstoffe verwendet werden. Die Wahl der Elektrode hängt von der Anwendung, der gewünschten Farbübereinstimmung und dem Umfang der Nachbearbeitung nach dem Schweißen ab.
Die drei wichtigsten Schweißdrahttypen für Lichtbogenschweißungen von Gusseisen sind nickellegierte Elektroden, kupferlegierte Elektroden und umhüllte Gusseisenelektroden. Nickellegierte Elektroden werden am häufigsten verwendet, da sie zu einer festeren Schweißnaht mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten führen, wodurch die Schweißspannung reduziert und die Rissbeständigkeit verbessert wird. Nickellegierte Elektroden können auch ohne Vorwärmung verwendet werden. Bei Verwendung von Kupfer- oder Gusseisen-Elektroden sollte das Werkstück auf 120 °C vorgewärmt werden.
In jedem Fall sollte der Lichtbogen auf das Schweißbad und nicht auf das Grundmetall gerichtet sein. Dadurch wird die Vermischung beim Schmelzen und Verschmelzen der Metalle minimiert. Es wird auch empfohlen, die niedrigstmögliche zugelassene Stromeinstellung zu verwenden, um die Wärmebelastung zu minimieren und mit dem Stab in aufrechter Position zu schweißen.
Diese Methode kann auch zum Schweißen von Gusseisen auf Stahl verwendet werden, da Stahl fast alles funktioniert, was für Gusseisen funktioniert.
Erfahren Sie auf Deutsch mehr über das Lichtbogenschweißen
2. MIG-Schweißen
Obwohl das Lichtbogenhandschweißen dem MIG-Schweißen von Gusseisen vorzuziehen ist, ist es dennoch möglich, MIG-Schweißen zu verwenden.
Idealerweise sollte das MIG-Schweißen von Gusseisen mit einem Nickeldraht durchgeführt werden, obwohl auch ein preiswerterer Stahldraht verwendet werden kann. Ein Gasgemisch aus 80 % Argon und 20 % Kohlendioxid ist für die meisten Anwendungen geeignet, obwohl der Schweißnahtbereich dadurch etwas oxidiert.
Hartlötdraht kann zwar verwendet werden, wird aber nicht für Metalle empfohlen, die Belastungen oder Stößen ausgesetzt sind, da er eine schwache Schweißnaht erzeugt.
Erfahren Sie auf Deutsch mehr über das MIG-Schweißen
3. WIG-Schweißen
WIG-Schweißen kann eine starke und saubere Schweißnaht in Gusseisen erzeugen, obwohl Nickeldraht die einzige wirklich brauchbare Option für diese Methode ist, was sie zu einem teuren Verfahren macht. Mit dem richtigen Gas, Draht und den richtigen Einstellungen ist es möglich, die Vor- und Nachwärmphase wegfallen zu lassen und kalt zu schweißen. Wie bei allen WIG-Schweißanwendungen hängt die Qualität der fertigen Schweißnaht weitgehend vom Können des Schweißers ab.
Erfahren Sie auf Englisch mehr über das WIG-Schweißen
4. Autogenschweißen
Wie beim Lichtbogenschweißen wird auch beim Autogenschweißen (Gasschweißen) ein Zusatzdraht verwendet, aber statt eines durch elektrischen Strom erzeugten Lichtbogens wird bei diesem Verfahren der Autogenbrenner für die Erzeugung der Schweißenergie genutzt. Beim Schweißen von Gusseisen mit dieser Methode können Sie Messing- oder Eisen-Zusatzdraht verwenden.
Es ist wichtig, dass das Gusseisen während des Schweißens nicht oxidiert, da dies zu Siliziumverlust und zur Bildung von weißem Eisen in der Schweißnaht führt. Wie beim Lichtbogenschweißen sollte der Zusatzdraht direkt in das Schweißbad abgeschmolzen werden, um Temperaturgradienten zu minimieren.
Da das Autogenschweißen langsamer als das Lichtbogenschweißen ist und eine niedrigere Flammentemperatur als das Lichtbogenschweißen hat, wird bei diesem Verfahren das Problem der Randentkohlung, d.h. der Kohlenstoffwanderung von der Wärmeeinflusszone in das Schweißgut, in der Regel vermieden. Allerdings kann diese geringere Hitze das Schweißen großer Bauteile erschweren und das Schweißen verlangsamen.
Erfahren Sie auf Englisch mehr über das Autogenschweißen
5. Hartlöten
Das Hartlöten kann zum Schweißen von Gusseisenteilen verwendet werden, da es nur minimale Auswirkungen auf das Grundmetall selbst hat. Auch bei diesem Verfahren wird ein Schweißdraht verwendet, der jedoch aufgrund des niedrigeren Schmelzpunktes des Schweißzusatzes an der Oberfläche des Eisens haftet und sich nicht zu einem Schweißbad auflöst.
Wie bei anderen Techniken ist auch beim Hartlöten die Reinigung der Oberfläche wichtig. Ein Flussmittel kann verwendet werden, um die Bildung von Oxiden zu verhindern, indem es die Benetzung fördert, die Oberfläche reinigt und den Schweißzusatz über das Grundmetall fließen lässt.
WIG-Löten ist ebenfalls möglich, wobei eine niedrige Stromstärke verwendet wird, um das Werkstück zu erhitzen und gleichzeitig ein Schmelzen des Gusseisens zu vermeiden. Der Argon-Gasmantel des Brenners schirmt die Lötzone ab, so dass kein Flussmittel wie beim Autogenschweißen verwendet werden muss.
Erfahren Sie auf Englisch mehr über das Hartlöten
Welche Schweißzusatzwerkstoffe können verwendet werden?
Wie bereits erwähnt, ist die Wahl des Schweißzusatzwerkstoffs für das Schweißen von Gusseisen wichtig, wobei die meisten Experten zur Verwendung von Nickelzusatzwerkstoffen raten.
Nickelelektroden enthalten ein spezielles Flussmittel mit hohem Graphitanteil, um die Randendkohlung zu minimieren. Die zwei Arten von Nickelzusatzwerkstoffen sind:
- 99%ige Nickelzusatzwerkstoffe: Diese Zusatzwerkstoffe sind teurer als andere Optionen, liefern aber auch die besten Ergebnisse. 99%ige Nickelstabelektroden erzeugen Schweißnähte, die maschinell bearbeitet werden können und funktionieren am besten bei Gussstücken mit einem niedrigen oder mittleren Phosphorgehalt. Diese Reinnickel-Stäbe erzeugen ein weiches, formbares Schweißgut.
- 55%ige Nickelzusatzwerkstoffe: Diese Zusatzwerkstoffe sind preiswerter als 99%ige Stäbe, können ebenfalls bearbeitet werden und werden häufig für Reparaturen an dicken Teilen verwendet. Durch einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten entstehen weniger Schmelzlinienrisse als bei 99%igen Stäben. Diese Ferronickel-Zusatzwerkstoffe sind ideal für Schweißungen zwischen Gusseisen und Stahl.
Es gibt auch preiswertere Optionen, wie z.B. Stahlzusatzwerkstoffe, die jedoch nicht so effektiv sind wie Nickelzusatzwerkstoffe:
- Stahlzusatzwerkstoffe: Stahlzusatzwerkstoffe sind die billigste der drei Optionen und eignen sich am besten für einfache Reparaturen und Füllungen. Stahlzusatzwerkstoffe erzeugen harte Schweißnähte, die zusätzlich geschliffen werden müssen und nicht maschinell bearbeitbar sind. Trotz dieser Nachteile können Stahlzusatzwerkstoffe jedoch leichte verschmutzte Gussstücke tolerieren und sind benutzerfreundlicher für Lichtbogenprozesse.
Nachbearbeitung
Gusseisenschweißnähte können durch das Aufbringen von Druckspannungen (Peenen) und durch Nachwärmen nach der Schweißung nachbearbeitet werden.
Hämmern
Wenn eine Schweißnaht abkühlt und sich zusammenzieht, baut sich eine Zugspannung auf, die zu Rissen in der Schweißnaht führt, wenn ein kritischer Punkt erreicht wird. Die Gefahr von Rissen kann durch das Anlegen von Druckspannungen verringert werden, die der mit der Abkühlung verbundenen Zugspannung entgegenwirken. Druckspannungen werden meist durch Hämmern (mit einem Kugelhammer, der moderate Schläge ausführt) aufgebracht, wodurch die Schweißraupe verformt wird, während sie noch weich ist. Das Hämmern, Peenen oder Dengeln sollte jedoch nur bei relativ duktilem Schweißgut angewendet werden.
Wärmenachbehandlung nach dem Schweißen
Lässt man Gusseisen zu schnell abkühlen, kann es zu Spannungen und Rissen kommen. Der Abkühlungsprozess kann durch die Verwendung von Isoliermaterialien oder durch die periodische Anwendung von Wärme verlangsamt werden. Einige Methoden umfassen das Einlegen des Werkstücks in eine Isolierdecke, das Einlegen in trockenen Sand oder sogar das Aufstellen über einem Holzfeuerofen, um das Metall abkühlen zu lassen, während das Feuer erlischt.
Zusätzliche Überlegungen und Hinweise
Beim Schweißen von Gusseisen gibt es einige zusätzliche Faktoren zu beachten:
Versiegeln von Rissen
Winzige Risse neigen dazu, nebenbei zu entstehen, auch wenn beim Schweißen von Gusseisen gut vorgegangen wird. Wenn Sie einen wasserdichten Guss benötigen, können Sie Leckagen mit einer Dichtungsmasse beseitigen, die auch das Rosten im Betrieb verhindert.
Reparatur mit der Bolzenschweißmethode
Die Reparatur größerer Brüche in großen Gussteilen kann durch Bohren und Gewindeschneiden von Löchern über Oberflächen erfolgen, die zur Aufnahme des reparierenden Schweißguts abgeschrägt wurden. Schrauben Sie Stahlbolzen in die Gewindelöcher, wobei Sie darauf achten, dass 5 bis 6 mm des Bolzens über der Oberfläche liegen. Schweißen Sie die Bolzen langsam und vorsichtig ein und bedecken Sie die gesamte Oberfläche des Bruchs mit einem guten Schweißauftrag. Mit diesem Auftrag können die beiden Seiten des Risses wieder zusammengeschweißt werden. Diese Technik kann auch zu einer erhöhten Festigkeit Ihrer Gussschweißnähte führen.
Fazit
Es ist möglich, Gusseisen zu schweißen, aber es muss mit der richtigen Technik und mit Sorgfalt durchgeführt werden, um Risse zu vermeiden. Bei den meisten Schweißverfahren muss die Oberfläche des Materials gereinigt werden, und Gusseisen profitiert von einer Erwärmung vor und nach dem Schweißen sowie einer sorgfältigen Abkühlung.
TWI verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in allen Aspekten des Schweißens und Fügens, einschließlich der Arbeit mit Gusseisen und Stahlguss. Bitte kontaktieren Sie uns auf Englisch, wenn Sie Fragen haben und glauben, dass wir Sie bei Ihrem Projekt unterstützen können:
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