Wie man Gusseisen schweißt:Eine vollständige Anleitung

Das Schweißen von Gusseisen ist möglich, aber aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts problematisch. Dieser Kohlenstoffgehalt beträgt oft 2-4 %, was etwa dem Zehnfachen der meisten Stähle entspricht. Dieser Kohlenstoff wandert während des Schweißvorgangs in das Schweißgut bzw. die Wärmeeinflusszone, was zu einer erhöhten Sprödigkeit/Härte führt. Dies wiederum kann nach dem Schweißen zu Rissen führen.

Gusseisen besteht aus Eisen und Kohlenstoff in unterschiedlichen Anteilen, mit zusätzlichen Elementen wie Mangan, Silizium, Chrom, Nickel, Kupfer, Molybdän usw. zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften. Außerdem kann es deutlich höhere Schwefel- und Phosphorgehalte als Verunreinigungen enthalten, was ein rissfreies Schweißen erschwert.

Zu den verschiedenen Gusseisenarten gehören Grauguss, Weißguss, Sphäroguss und Temperguss mit sehr unterschiedlicher Schweißeignung. Alle Kategorien von Gusseisen mit Ausnahme von Weißguss gelten als schweißbar, obwohl das Schweißen im Vergleich zum Schweißen von Kohlenstoffstahl erheblich schwieriger sein kann.

Ohne eine detaillierte metallurgische Analyse kann es jedoch schwierig sein, den Unterschied zwischen diesen verschiedenen Gusseisenarten zu erkennen. Trotzdem ist Gusseisen ein langlebiges, verschleißfestes Metall, das seit Jahrhunderten verwendet wird.

Vorschweißschritte für Gusseisen

Bevor Sie beginnen, sollten vier wichtige Schritte unternommen werden, um das effektive Schweißen von Gusseisen sicherzustellen. Dazu gehören:

• Bestimmung der Gusseisenart
• Reinigen des Abgusses
• Auswahl der richtigen Vorwärmtemperatur
• Auswahl der richtigen Schweißtechnik

1. Bestimmung der Gusseisenart

Der erste Schritt bei dieser Art des Schweißens besteht darin, festzustellen, um welche Art von Gusseisen es sich handelt. Es gibt zahlreiche Typen, und Sie werden die meisten nicht schweißen wollen.

Gusseisen hat eine schlechte Duktilität, daher könnte es aufgrund von thermischen Spannungen reißen, wenn es schnell erhitzt oder abgekühlt wird. Die Rissanfälligkeit ist abhängig von der Gusseisensorte/Kategorie. Das bedeutet, dass Sie wissen müssen, mit welcher Art von Legierung Sie arbeiten:

• Grauguss: Es ist die häufigste Form von Gusseisen. Kohlenstoff scheidet sich während der Herstellung in Graphitflocken entweder in einer kristallinen Perlit- oder Ferrit-Mikrostruktur aus. Es ist duktiler und schweißbarer als weißes Gusseisen. Für angehende Schweißer stellt es jedoch immer noch eine Herausforderung dar, da die Graphitflocken im Grauguss in das Schweißbad gelangen und eine Versprödung des Schweißguts verursachen können.
• Weißes Gusseisen: Weißes Gusseisen behält den Kohlenstoff als Eisencarbid, ohne ihn als Graphit auszufällen. Die kristalline Mikrostruktur des Zementits ist sehr hart und spröde. Weißer Guss gilt allgemein als nicht schweißbar.
• Duktiles, sphärisches oder schmiedbares Eisen: Diese Gusseisen sind aufgrund herstellungsbedingter Gefügeunterschiede alle weniger spröde. Alle drei haben kugelförmige Kohlenstoffmikrostrukturen, die durch ihre einzigartigen Herstellungsverfahren erzeugt werden.

Der einfachste Weg, um festzustellen, mit welcher Art von Bügeleisen Sie arbeiten, besteht darin, die Originalspezifikation zu überprüfen. Chemische und metallografische Analysen können auch bei der Identifizierung der Gusseisenkategorie helfen, mit der Sie arbeiten.

Es gibt einige andere Möglichkeiten, den Unterschied zwischen Legierungen zu erkennen; graues Eisen wird zusammen mit einem Bruchpunkt grau erscheinen, während weißes Eisen aufgrund des enthaltenen Zementits eine weißere Farbe entlang eines Bruchs zeigen wird. Sphäroguss zum Beispiel zeigt jedoch auch einen weißeren Bruch, ist aber viel besser schweißbar.

Grauguss ist die am häufigsten geschweißte Gusseisenart und sollte das einzige Gusseisen sein, das Sie zu schmelzen versuchen, es sei denn, Sie haben Erfahrung mit dem Gießen oder Schweißen. Es ist eine weitere gute Option, jemanden mit Erfahrung zu haben, der Ihnen hilft.

2. Reinigen Sie das Gussteil

Unabhängig von der Legierung müssen alle Gussteile vor dem Schweißen ordnungsgemäß vorbereitet werden. Bei der Vorbereitung des Gussstücks zum Schweißen ist es entscheidend, alle Oberflächenmaterialien zu entfernen. Das Gussteil muss im Bereich der Schweißnaht absolut sauber sein. Entfernen Sie Farbe, Fett, Öl und andere Fremdstoffe aus der Schweißzone. Es ist am besten, den Schweißbereich für kurze Zeit vorsichtig und langsam zu erhitzen, um eingeschlossenes Gas aus der Schweißzone des Grundmetalls zu entfernen.

Eine einfache Technik zum Testen der Bereitschaft der Gusseisenoberfläche besteht darin, eine Schweißnaht auf das Metall aufzubringen – es wird porös, wenn irgendwelche Verunreinigungen vorhanden sind. Dieser Durchgang kann abgeschliffen werden, und der Vorgang wird einige Male wiederholt, bis die Porosität verschwindet.

3. Vorwärmtemperatur

Alle Gusseisen sind anfällig für Spannungsrisse. Wärmekontrolle ist der wichtigste Faktor bei der Vermeidung von Rissen.

Eine Gusseisenschweißung erfordert drei Schritte:

• Vorwärmen
• Geringer Wärmeeintrag
• Langsame Abkühlung

Der Hauptgrund für die Wärmekontrolle ist die Wärmeausdehnung. Wenn sich Metall erwärmt, dehnt es sich aus. Es entsteht keine Spannung, wenn sich ein gesamtes Objekt mit der gleichen Geschwindigkeit erwärmt und ausdehnt, aber Spannung baut sich auf, wenn Wärme in einer kleinen Wärmeeinflusszone (HZ) lokalisiert wird.

Lokales Erhitzen verursacht eine begrenzte Ausdehnung, die HZ wird durch das kühlere Metall um sie herum eingeschlossen. Die Höhe der resultierenden Spannungen hängt vom Temperaturgradienten zwischen HZ und Gusskörper ab. In Stahl und anderen duktilen Metallen wird Spannung, die durch eingeschränkte Ausdehnung und Kontraktion aufgebaut wird, durch Strecken abgebaut.

Unglücklicherweise kann dies während der Kontraktionsperiode zu Rissen führen, da Gusseisen eine relativ schlechte Duktilität aufweist. Durch das Vorwärmen wird der Wärmegradient zwischen dem Gusskörper und dem HZ verringert, wodurch die durch das Schweißen verursachte Zugspannung minimiert wird. Im Allgemeinen erfordern Schweißverfahren bei höheren Temperaturen eine höhere Vorwärmtemperatur.

Wenn ein angemessenes Vorwärmen nicht möglich ist, besteht die beste Strategie darin, die Wärmezufuhr zu minimieren, ein Niedrigtemperatur-Schweißverfahren und Schweißstäbe oder -drähte mit niedrigem Schmelzpunkt auszuwählen.

Die Abkühlgeschwindigkeit ist ein weiterer Faktor, der sich direkt auf die an der Schweißnaht induzierten Spannungen auswirkt. Schnelles Abkühlen verursacht eine Kontraktion, die zu spröden, leicht rissigen Schweißnähten führt. Im Gegensatz dazu reduziert eine geringe Kühlung die Verhärtung und die Kontraktionsspannung.

4. Anwendung der Schweißtechnik zum Schweißen von Gusseisen

Theoretisch kann jedes der gängigen Lichtbogenschweißverfahren wie Lichtbogenhandschweißen, Fülldrahtschweißen, Metallaktivgasschweißen, Unterpulverschweißen, Wolframlichtbogenschweißen etc. eingesetzt werden, ein Verfahren, das ein langsames Aufheizen und Abkühlen ermöglicht generell bevorzugt.

1. Lichtbogenhandschweißen (MMA)

Diese Art des Schweißens, auch Shielded Metal Arc Welding (SMAW) genannt, gilt allgemein als das beste Gesamtverfahren zum Schweißen von Gusseisen – vorausgesetzt, die richtigen Schweißstäbe werden verwendet. Die Wahl der Elektrode hängt von der Anwendung, der erforderlichen Farbübereinstimmung und dem Umfang der Nachbearbeitung ab.

Die beiden Hauptelektrodentypen für das Lichtbogenhandschweißen sind auf Eisenbasis und auf Nickelbasis. Die Elektrode auf Eisenbasis erzeugt Schweißgut mit hohem Kohlenstoffmartensit, daher im Allgemeinen auf geringfügige Reparaturen am Gussstück beschränkt und wenn eine Farbanpassung erforderlich ist.

Nickellegierungselektroden werden am häufigsten verwendet und bieten ein duktileres Schweißgut. Nickelelektroden können auch dazu beitragen, die Vorwärmung und die Rissbildung in der WEZ zu reduzieren, indem sie ein Schweißgut mit geringerer Festigkeit bereitstellen.

In allen Fällen sollte darauf geachtet werden, das Schmelzen des Grundmetalls zu minimieren. Dadurch wird die Verdünnung minimiert.

2. MAG-Schweißen

Das MAG-Schweißen wird im Allgemeinen mit einem Nickel-Zusatzwerkstoff durchgeführt. Eine Gasmischung aus 80 % Argon und 20 % Kohlendioxid ist für die meisten Anwendungen geeignet. Obwohl Lötdraht verwendet werden kann, wird dies im Allgemeinen nicht empfohlen, da das Lötmetall erheblich schwächer ist als das Gussteil.

3. WIG-Schweißen

Das WIG-Schweißen kann eine saubere Schweißnaht auf Gusseisen liefern, wird jedoch aufgrund seiner stark lokalisierten Erwärmungseigenschaften im Allgemeinen nicht bevorzugt. Wie beim WIG-Schweißen wird die Qualität der fertigen Schweißnaht weitgehend von den Fähigkeiten des Schweißers bestimmt.

4. Autogenes Acetylen-Schweißen

Beim Autogenschweißen werden ebenfalls Elektroden verwendet, aber anstelle eines durch den Strom erzeugten Lichtbogens liefert ein Autogenbrenner die Energie zum Schweißen. Sowohl Gusseisenelektroden als auch Kupfer-Zink-Elektroden sind für das Autogenschweißen von Gusseisen geeignet.

Es muss darauf geachtet werden, dass das Gusseisen beim Acetylenschweißen nicht oxidiert, da dies zu Siliziumverlust und zur Bildung von weißem Eisen in der Schweißnaht führt. Der Schweißdraht sollte im geschmolzenen Schweißbad geschmolzen werden und nicht direkt durch die Flamme, um Temperaturgradienten zu minimieren.

5. Schweißlöten

Lötschweißen ist aufgrund der minimalen Auswirkungen auf das Grundmetall selbst eine gängige Methode zum Verbinden von Gusseisenteilen. Ein Schweißdraht liefert den Füllstoff, der an der Gusseisenoberfläche haftet. Aufgrund des niedrigeren Schmelzpunktes des Füllstoffs im Vergleich zum Gusseisen verdünnt sich der Füllstoff nicht mit dem Gusseisen, sondern haftet an der Oberfläche.

Die Sauberkeit der Oberfläche ist für diese Schweißtechnik von entscheidender Bedeutung, da die Verbindung von der Qualität des Füllstoffs abhängt, der die Oberfläche des Grundmetalls benetzt. Laut Machine Design ist die Verwendung von Flussmitteln zur Verhinderung der Bildung von Oxiden während des Lötens üblich.

Es ist eine benetzungsfördernde Flüssigkeit, die den Füllstoff über die zu verbindenden Metallteile fließen lässt. Es reinigt auch die Teile von Oxiden, so dass der Füllstoff fester an den Metallteilen haftet. Außerdem werden Flussmittel beim Schweißen verwendet, um Metalloberflächen zu reinigen.

Schweißtechniken ohne Vorwärmung

Die Größe des Gussstücks oder andere Umstände können es erforderlich machen, dass die Reparatur ohne Vorwärmen durchgeführt wird. In diesem Fall muss das Teil kühl, aber nicht kalt gehalten werden.

Es ist hilfreich, die Gießtemperatur auf 100 Grad F zu erhöhen. Wenn sich das Teil an einem Motor befindet, kann es möglich sein, es einige Minuten laufen zu lassen, um diese Temperatur zu erreichen. Erhitzen Sie den Guss niemals so heiß, dass Sie Ihre bloße Hand nicht darauf legen können.

Machen Sie kurze, etwa 1 Zoll lange Schweißnähte. Das Kugelstrahlen nach dem Schweißen ist bei dieser Technik wichtig. Lassen Sie die Schweißnaht und das Gussteil abkühlen. Beschleunigen Sie die Abkühlgeschwindigkeit nicht mit Wasser oder Druckluft.

Es kann möglich sein, in einem anderen Bereich des Gussstücks zu schweißen, während die vorherige Schweißnaht abkühlt. Alle Krater sollten gefüllt sein. Wann immer möglich, sollten die Perlen in der gleichen Richtung aufgetragen werden, und es wird bevorzugt, dass die Enden paralleler Perlen nicht aneinander ausgerichtet sind.

Verwendung von Fülldraht oder Elektrode beim Gussschweißen

Wie oben erwähnt, ist die Wahl des Schweißstabes beim Schweißen von Gusseisen wichtig, obwohl die meisten Experten die Verwendung von Nickelstäben empfehlen würden.

1. 99 % Nickelstäbe

Diese Elektroden sind teurer als andere Optionen, liefern aber auch die besten Ergebnisse. Stangen aus 99 % Nickel erzeugen Schweißnähte, die maschinell bearbeitet werden können und am besten bei Gussteilen mit niedrigem oder mittlerem Phosphorgehalt funktionieren. Diese Stäbe aus reinem Nickel erzeugen ein weiches, formbares Schweißgut.

2. 55 % Nickelstäbe

Sie sind kostengünstiger als 99 %-Stäbe, aber auch maschinell bearbeitbar und werden häufig für Reparaturen dicker Querschnitte verwendet. Ein geringerer Ausdehnungskoeffizient bedeutet, dass diese weniger Schmelzlinienrisse erzeugen als der 99%-Stab. Diese Eisen-Nickel-Stäbe sind ideal zum Schweißen von Gusseisen an Stahl.

Es sind weniger teure Optionen wie Stahlstäbe erhältlich, obwohl diese nicht so effektiv sind wie Nickelstäbe:

3. Stahlstangen

Stahlstäbe stellen die billigste Option der drei dar und eignen sich am besten für kleinere Reparaturen und Füllungen. Stahlelektroden erzeugen harte Schweißnähte, die ein zusätzliches Schleifen erfordern und nicht maschinell bearbeitet werden können. Trotz dieser Nachteile bieten Stahlstangen jedoch eine Farbanpassung und können Gussteile, die nicht vollständig sauber sind, besser vertragen als Nickelstangen.

4. Hartlöten von Bronze

Sie können die Stäbe mit einem Acetylen-Sauerstofflöten oder mit einem WIG-Schweißgerät verwenden. Es ist eine gute Möglichkeit, in einem Riss oder zwischen zwei Komponenten, die verbunden werden müssen, einen Halt zu schaffen, ohne Risse und eine Veränderung der Gusseiseneigenschaften zu verursachen.

Reinigen und Peening von Schweißoberflächen

Wie bei den meisten Schweißarbeiten gilt:Je sauberer die Oberfläche ist, desto besser werden Ihre Schweißnähte. Manchmal hat das Material, das Sie schweißen, während des gesamten Gusses ein Leben lang Dämpfe oder Öl gehabt, und dies führt zu Herausforderungen beim Schweißen. Beim Schweißen von Gusseisen sind einige Dinge zu beachten.

Die Verwendung von Schweißzusätzen wie den MG-289 Gusseisen-Schweißlegierungsstäben, die für kontaminiertes Gusseisen ausgelegt sind, ist der beste Weg, um sicherzustellen, dass die Schweißnaht ausreichend ist.

Peening ist der Vorgang, bei dem die weiche Schweißnaht beim Abkühlen mit einem Kugelhammer geklopft wird, um Risse zu vermeiden. Dies sollte mit Vorsicht und nur dann erfolgen, wenn sich die Schweißnaht verformen kann, aber es ist nicht immer notwendig, da Risse hauptsächlich durch unregelmäßiges oder schnelles Erhitzen oder Abkühlen des Bauteils verursacht werden. Das Vorwärmen und langsame Abkühlen Ihres Projekts ist das Wichtigste.

Vorwärmen oder kaltschweißen?

Ob man heiß oder kalt schweißen sollte, darüber gibt es unterschiedliche Meinungen. Alle sind sich einig, dass das Vorwärmen eine gute Option ist, aber es gibt einige Leute, die vorschlagen, dass das Schweißen mit minimaler Hitze auch ausreichend ist.

Bei der Entscheidung, wie Gusseisen geschweißt werden soll, ist es notwendig, einen dieser Ansätze zu wählen, da Gusseisen im Gegensatz zu den meisten Metallen spröde ist und sich durch Biegung oder Ausdehnung und Kontraktion nur sehr gering verformen kann. Hitze hat immer eine verformende Wirkung auf Metall, und wenn sich ein Teil des Metalls schneller erhitzt oder abkühlt als ein anderer, treten Spannungen und Risse im Gusseisen oder in der Schweißnaht auf.

Das Vorwärmen minimiert diesen Effekt, indem es die Umgebung der Schweißnaht näher an die Schweißtemperatur bringt, wodurch sich das gesamte Bauteil gleichmäßig verändert. Gusseisen ändert seine Eigenschaften über 1400 Grad Fahrenheit, daher ist es wichtig, keine übermäßige Hitze in das Bauteil einzubringen.

Das Schweißen von Gusseisen auf kühle Weise ohne Vorwärmen und mit minimalem Wärmeverbrauch soll dies durch eine Verringerung der Gesamttemperatur unterstützen. Dies kann vorteilhaft sein, um keine sichtbaren Risse zu erzeugen, und es wird eine stärkere Schweißnaht als eine Heißschweißnaht ohne Vorwärmen sein. Es treten jedoch immer noch innere Spannungen auf, die sich später in der Lebensdauer des Bauteils zeigen können, und führen zu einer insgesamt schwächeren Schweißnaht als ein ordnungsgemäßes Vorwärmen vor dem Schweißen.

Erfahrene Gusseisenschweißer, die regelmäßig an der Reparatur oder Herstellung von Gusseisenprodukten arbeiten, immer und nur vorwärmen. Dies ist der beste Weg, um sicherzustellen, dass die Schweißnaht innen stark ist und nicht nur sichtbar weniger Risse aufweist.