Gusseisen-Schweißen meistern: Professioneller Leitfaden für den Erfolg im eigenen Haus

Gusseisen-Schweißen im eigenen Haus ist möglich – unter bestimmten Bedingungen

Effektives Schweißen von Gusseisenteilen im eigenen Haus kann Zeit und Geld sparen – aber es gibt Herausforderungen. Schweißfehler führen oft zu Rissen oder anderen Schäden. Wenn kritische Teile betroffen sind, kann es ratsam sein, die Handwerkskunst einer Schweißerei mit erfahrenen Schweißern in Anspruch zu nehmen, um ein erfolgreiches Ergebnis zu gewährleisten.

Wenn das Schweißen im eigenen Haus durchgeführt wird, ist es entscheidend, die erforderlichen Schritte zu recherchieren, um ein geschweißtes Teil effektiv herzustellen. Vier Schlüsselschritte sollten vor dem Start unternommen werden:

1. Legierung identifizieren
2. Guss gründlich reinigen
3. Vorwärmtemperatur wählen
4. Geeignete Schweißtechnik auswählen

Legierung identifizieren

Gusseisen sind eine Familie von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. Ihr hoher Kohlenstoffgehalt (meist 2–4 %) verleiht Gusseisen seine charakteristische Härte. Diese Härte geht jedoch auf Kosten der Duktilität. Es ist im Vergleich zu Stahl oder Schmiedeeisen weniger formbar. Die Erhitzungs- und Abkühlzyklen beim Schweißen verursachen Ausdehnung und Kontraktion im Metall, was Zugspannungen induziert. Gusseisen dehnen oder verformen sich nicht bei Erhitzung oder Spannung – stattdessen reißen sie – was sie extrem schwierig zu schweißen macht. Diese Eigenschaft kann durch Zugabe verschiedener Legierungen verbessert werden.

Einige Gusseisenlegierungen sind leichter zu schweißen als andere:

• Grauguss
  Grauguss ist die häufigste Form von Gusseisen. Kohlenstoff fällt während der Herstellung in Graphitlamellen aus, entweder in einer Perlit- oder Ferrit-Kristallmikrostruktur. Er ist duktiler und schweißbarer als Weißguss. Dennoch stellt er eine Herausforderung für angehende Schweißer dar, da die Graphitlamellen im Grauguss in den Schweißbad eindringen und Versprödung des Schweißmetalls verursachen können.

• Weißguss
  Weißguss behält den Kohlenstoff als Eisenkarbid bei, ohne ihn als Graphit auszufällen. Die Zementit-Kristallmikrostruktur ist sehr hart und spröde. Weißguss wird allgemein als nicht schweißbar betrachtet.
• Duktiles, nodulares oder zähes Eisen
  Diese Gusseisen sind alle weniger spröde aufgrund mikrostruktureller Unterschiede durch die Herstellung. Alle drei haben kugelförmige Kohlenstoffmikrostrukturen, die durch ihre einzigartigen Herstellungsprozesse erzeugt werden.

Der beste Weg, um festzustellen, ob Sie Weiß- oder Graueisen haben, ist die Überprüfung der ursprünglichen Spezifikation. Spektrochemische Analyse kann diese Spezifikation nachträglich liefern. Wenn diese präzisen Wege nicht möglich sind, gibt es einige Möglichkeiten, in der Werkstatt zu prüfen.

Graueisen zeigt an einer Bruchstelle grau, aufgrund des Graphits in seiner Mikrostruktur. Weißguss ist an einer Bruchstelle weißer aufgrund des Zementits. Leider ist der Bruchtst nur nützlich, wenn der Schweißer weiß, dass das Material entweder Grau- oder Weißguss ist. Dies sind ältere, traditionellere Formen von Gusseisen. Sie sind auch in bestimmten Güterklassen häufiger. Allerdings ist duktiles Eisen, ein relativ neuer Kommerzialisierungsbereich, an der Bruchstelle auch ziemlich weiß und viel besser schweißbar.

Funkenprüfung kann auch von einem erfahrenen Metallurgen verwendet werden, um die Art des Eisens zu bestimmen.

Guss reinigen

Unabhängig von der Legierung müssen alle Gussstücke vor dem Schweißen ordnungsgemäß vorbereitet werden. Während der Vorbereitung des Gusses für das Schweißen ist es entscheidend, alle Oberflächenmaterialien zu entfernen. Der Guss muss im Bereich der Schweißnaht vollständig sauber sein. Farbe, Fett, Öl und andere Fremdmaterialien aus der Schweißzone entfernen. Es ist am besten, die Schweißzone des Basismetalls für kurze Zeit vorsichtig und langsam zu erhitzen, um eingeschlossenes Gas aus der Schweißzone zu entfernen.

Eine einfache Technik zur Prüfung der Bereitschaft der Gusseisenoberfläche besteht darin, einen Schweißnahthof auf dem Metall abzulegen – er wird porös sein, wenn Verunreinigungen vorhanden sind. Dieser Hof kann abgeschliffen werden, und der Prozess kann einige Male wiederholt werden, bis die Porosität verschwindet.

Vorwärmen

Alle Gusseisen sind anfällig für Risse unter Spannung. Wärmekontrolle ist der wichtigste Faktor, um Risse zu vermeiden.

Ein Gusseisenschweiß erfordert drei Schritte:

• Vorwärmen
• Niedrige Wärmezufuhr
• Langsames Abkühlen

Der Hauptgrund für die Wärmekontrolle ist die thermische Ausdehnung. Wenn Metall erwärmt wird, dehnt es sich aus. Keine Spannung entsteht, wenn ein gesamtes Objekt gleichmäßig erwärmt und sich ausdehnt, aber Spannung baut sich auf, wenn Wärme in einer kleinen wärmebeeinflussten Zone (WEZ) lokalisiert ist.

Lokalisierte Erwärmung verursacht eingeschränkte Ausdehnung – die WEZ wird vom kühleren Metall um sie herum enthalten. Der Grad der resultierenden Spannung hängt vom thermischen Gradienten zwischen der WEZ und dem Gusskörper ab. Bei Stahl und anderen duktilen Metallen wird die durch eingeschränkte Ausdehnung und Kontraktion aufgebaute Spannung durch Dehnung abgebaut. Leider kann dies während der Kontraktionsphase zu Rissen führen, da Gusseisen eine relativ geringe Duktilität haben. Vorwärmen verringert den thermischen Gradienten zwischen dem Gusskörper und der WEZ, wodurch die durch das Schweißen verursachten Zugspannungen minimiert werden. Im Allgemeinen erfordern höhere Temperaturschweißverfahren eine höhere Vorwärmtemperatur. Wenn ausreichendes Vorwärmen nicht möglich ist, ist die beste Strategie, die Wärmezufuhr zu minimieren – ein Niedrigtemperaturschweißverfahren wählen und Schweißstäbe oder -drähte mit niedrigem Schmelzpunkt verwenden.

Die Abkühlrate ist ein weiterer Faktor, der direkten Einfluss auf die am Schweiß induzierten Spannungen hat. Schnelles Abkühlen verursacht Kontraktion, was spröde, leicht rissige Schweißnähte erzeugt. Im Gegensatz dazu reduziert langsames Abkühlen Härtung und Kontraktionsspannung.

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Vorwärmen vor dem Schweißen

Alle Gusseisen sind anfällig für Risse unter Spannung, aber dies kann durch Vorwärmen verhindert werden. Sehen Sie das Video, wie Wärme vor dem Schweißen auf Metall angewendet wird.

Schweißtechnik

Schweißtechniken sollten basierend auf ihrer Eignung für die zu schweißende Gusseisenlegierung gewählt werden. Die häufigsten Schweißverfahren sind Stabelektrodenschweißen, Oxyacetylenschweißen und Lötenschweißen.

Stabelektrodenschweißen (Stick welding)

Stabelektrodenschweißen, auch bekannt als Lichtbogenschweißen mit umhüllter Elektrode oder MMA, nutzt eine verbrauchbare Elektrode, die mit einem Flussmittel überzogen ist. Verschiedene Elektrodentypen können je nach Anwendung, erforderlicher Farbanpassung und Menge der Nachbearbeitung nach dem Schweißen verwendet werden.

Es gibt drei Hauptfüllertypen, die sich gut für das Stabelektrodenschweißen von Gusseisen eignen:

• Gusseisen-beschichtete Elektroden
• Kupferlegierungselektroden
• Nickellegierungselektroden

Nickellegierungselektroden sind am beliebtesten für das Gusseisenschweißen. Laut New Hampshire Materials Laboratory Inc. ist Nickel-Eisen-Schweißnaht stärker mit einem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, was Schweißspannungen reduziert und die Rissbeständigkeit verbessert.

Ein elektrischer Lichtbogen zwischen Elektrode und Schweißbereich schmilzt die Metalle und verursacht Verschmelzung. Der Lichtbogen sollte auf das Schweißbad gerichtet sein, nicht auf das Basismetall, da dies die Verdünnung minimiert. Es wird empfohlen, die niedrigste vom Hersteller genehmigte Stromeinstellung zu verwenden, um Wärmespannungen zu minimieren. Werkstücke auf mindestens 120 °C vorwärmen vor Schweißungen mit Gusseisen- oder Kupferelektroden. Nickelelektroden können ohne Vorwärmen verwendet werden.

Oxyacetylenschweißen

Oxyacetylenschweißen nutzt ebenfalls Elektroden, aber statt eines durch Strom erzeugten Lichtbogens liefert ein Oxyacetylenbrenner die Energie für das Schweißen. Gusseisenelektroden und Kupfer-Zink-Elektroden sind beide für das Oxyacetylenschweißen von Gusseisen geeignet.

Vorsicht ist geboten, das Gusseisen während des Acetylenschweißens nicht zu oxidieren, da dies Siliziumverlust und die Bildung von Weißguss in der Schweißnaht verursacht. Der Schweißstab sollte im geschmolzenen Schweißbad geschmolzen werden, nicht direkt durch die Flamme, um Temperaturgradienten zu minimieren.

Lötenschweißen (Braze welding)

Lötenschweißen ist eine gängige Methode zum Verbinden von Gusseisenteilen aufgrund der minimalen Auswirkung auf das Basismetall selbst. Ein Schweißstab liefert das Füllmaterial, das an der Gusseisenoberfläche haftet. Aufgrund des niedrigeren Schmelzpunkts des Füllmaterials im Vergleich zum Gusseisen verdünnt sich das Füllmaterial nicht mit dem Gusseisen, sondern haftet an der Oberfläche.

Die Sauberkeit der Oberfläche ist für diese Schweißtechnik kritisch, da die Verbindung von der Qualität des Benetzens der Basismetalloberfläche durch das Füllmaterial abhängt. Laut Machine Design ist die Verwendung von Flussmittel zur Verhinderung der Oxidbildung beim Löten üblich. Es ist eine Flüssigkeit, die das Benetzen fördert, sodass das Füllmaterial über die zu verbindenden Metallteile fließt. Es reinigt die Teile auch von Oxiden, sodass das Füllmaterial fester mit den Metallteilen verbindet. Zusätzlich werden Flussmittel beim Schweißen verwendet, um die Metalloberflächen zu reinigen.

Nachbearbeitung

Risse treten meist während der thermischen Kontraktionsphase auf – Zugspannung baut sich auf, während die Schweißnaht abkühlt und sich zusammenzieht. Wenn die Spannung einen kritischen Punkt erreicht, reißt die Schweißnaht.

Die Rissgefahr kann verringert werden, indem während des Abkühlens eine Druckspannung aufgewendet wird, um der Zugspannung entgegenzuwirken. Schweißer verwenden eine Technik namens Peeing (gemäßigte Schläge mit einem Kugelpeenhammer) auf einen verformbaren Schweißwulst, während die Schweißnaht noch weich ist. Peeing verringert das Risiko von Rissen in der Schweißnaht und WEZ, sollte aber nur angewendet werden, wenn mit relativ duktilem Schweißmetall gearbeitet wird.

Der letzte Schritt des Schweißens ist die Abkühlkontrolle. Dieser Prozess verwendet Isoliermaterialien, um das Abkühlen so weit wie möglich zu verlangsamen, oder wendet periodische Wärme auf die Schweißnaht an, um den natürlichen Abkühlprozess zu verlangsamen.

Schweißen im eigenen Haus

Während das Beauftragen eines Profis für das Gusseisenschweißen eine qualitativ hochwertige Schweißnaht garantieren kann, ist es möglich, eine Schweißreparatur im eigenen Haus mit sorgfältiger Vorbereitung abzuschließen. Folgen Sie den Schritten der Identifizierung Ihrer Legierung, der Vorbereitung des Materials und der Wahl der am besten geeigneten Schweißtechnik.

Quellen

• Total Materia. „Welding Cast Iron and other Irons.“
• New Hampshire Materials Laboratory. „Tips on Welding Cast Iron.“
• The Welding Institute. „Weldability of Materials: Cast Irons.“