Expertenrat zum Schweißen von Gusseisen: Bewährte Techniken für starke, dauerhafte Verbindungen

Das Schweißen von Gusseisen ist möglich, aber aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts problematisch. Dieser liegt oft bei 2–4 %, also etwa zehnmal so hoch wie bei den meisten Stählen. Während des Schweißprozesses wandert dieser Kohlenstoff in das Schweißgut und/oder die wärmebeeinflusste Zone (WEZ), was zu erhöhter Sprödigkeit und Härte führt. Dies kann nach dem Schweißen zu Rissen führen.

Gusseisen besteht aus Eisen und Carbon in unterschiedlichen Anteilen, zuzüglich Legierungselementen wie Mangan, Silicium, Chrom, Nickel, Kupfer, Molybdän etc., die bestimmte Eigenschaften verbessern. Zudem können Schwefel- und Phosphorgehalte deutlich über denen von Verunreinigungen liegen, was das Schweißen ohne Rissbildung erschwert.

Zu den verschiedenen Gusseisenarten zählen Grauguss, Weißguss, duktiles (kugeliges) Gusseisen und temperiertes Gusseisen mit stark schwankender Schweißbarkeit. Alle Kategorien mit Ausnahme von Weißguss gelten als schweißgeeignet, wobei das Schweißen im Vergleich zu Baustahl deutlich anspruchsvoller sein kann.

Ohne detaillierte metallografische Analyse ist es oft schwierig, die einzelnen Gusseisenarten zu unterscheiden. Dennoch ist Gusseisen ein langlebiges, verschleißfestes Metall, das seit Jahrhunderten eingesetzt wird.

Vorbereitungsschritte vor dem Schweißen von Gusseisen

Vier wesentliche Schritte sollten vor Beginn beachtet werden, um ein effektives Schweißen von Gusseisen zu gewährleisten:

• Bestimmung der Gusseisenart
• Reinigung des Gussstücks
• Wahl der richtigen Vorwärmtemperatur
• Auswahl der passenden Schweißtechnik

1. Bestimmung der Gusseisenart

Der erste Schritt besteht darin, die Art des Gusseisens zu identifizieren. Es gibt zahlreiche Typen, und die meisten davon sollten nicht geschweißt werden.

Gusseisen besitzt eine geringe Duktilität, weshalb es durch thermische Spannungen bei schnellem Erhitzen oder Abkühlen reißen kann. Die Rissanfälligkeit hängt von der Gusseisenart ab. Daher ist es essenziell zu wissen, mit welcher Legierung man arbeitet:

• Grauguss: Die häufigste Form. Dabei fällt der Kohlenstoff während der Herstellung als Graphitlamellen in einer perlithischen oder ferritischen Mikrostruktur aus. Er ist duktiler und schweißgeeigneter als Weißguss. Dennoch stellt der Graphit im Schweißbad eine Herausforderung dar, da er das Schweißgut verspröden kann.
• Weißguss: Hier bleibt der Kohlenstoff als Eisenkarbid (Zementit) gebunden, ohne als Graphit auszufallen. Die zementitische Mikrostruktur ist sehr hart und spröde. Weißguss gilt allgemein als nicht schweißbar.
• Duktiles, kugeliges oder temperiertes Gusseisen: Diese Sorten sind aufgrund mikrostruktureller Unterschiede durch ihre Herstellungsverfahren weniger spröde. Alle drei weisen kugeligen Graphit auf.

Der einfachste Weg zur Bestimmung der Eisensorte ist die Prüfung der ursprünglichen Werkstoffspezifikation. Chemische und metallografische Analysen können ebenfalls helfen.

Weitere Unterscheidungsmerkmale: Grauguss zeigt an der Bruchfläche eine graue Färbung, Weißguss eine weiße aufgrund des Zementits. Duktiles Eisen kann ebenfalls weiß bruchig sein, ist aber deutlich besser schweißbar.

Grauguss ist die am häufigsten geschweißte Gusseisenart und sollte – sofern man nicht erfahren im Gießen oder Schweißen anderer Sorten ist – die einzige sein, die man zu verschweißen versucht. Die Unterstützung durch einen erfahrenen Schweißer ist eine weitere gute Option.

2. Reinigung des Gussstücks

Unabhängig von der Legierung müssen alle Gussstücke vor dem Schweißen sorgfältig vorbereitet. Dabei ist es entscheidend, sämtliche Oberflächenmaterialien zu entfernen. Der Schweißbereich muss vollständig frei von Farbe, Fett, Öl und anderen Fremdstoffen sein. Es empfiehlt sich, den Schweißbereich kurzzeitig behutsam und langsam zu erwärmen, um eingeschlossene Gase aus der Wärmebeeinflussten Zone des Grundwerkstoffs zu entfernen.

Ein einfacher Test der Oberflächenreife: Ein Probelauf wird aufgetragen – ist er porös, sind Verunreinigungen vorhanden. Dieser Lauf kann abgeschliffen und der Vorgang wiederholt werden, bis die Porosität verschwindet.

3. Vorwärmtemperatur

Alle Gusseisen sind unter Spannung rissanfällig. Die Wärmekontrolle ist der wichtigste Faktor zur Rissvermeidung.

Ein Gusseisenschweiß erfordert drei Schritte:

• Vorwärmen
• Geringe Wärmeeinbringung
• Langsames Abkühlen

Der Hauptgrund für die Wärmekontrolle ist die thermische Ausdehnung. Erwärmt sich Metall, dehnt es sich aus. Erfolgt dies gleichmäßig im gesamten Bauteil, entstehen keine Spannungen. Wird die Wärme jedoch lokal in einer kleinen WEZ eingebracht, baut sich Spannung auf, da das umliegende kältere Material die Ausdehnung behindert. Die Spannungshöhe hängt vom thermischen Gradienten zwischen WEZ und Bauteilkörper ab. Bei Stahl und anderen duktilen Metallen wird die Spannung durch plastische Verformung abgebaut.

Gusseisen besitzt jedoch eine geringe Duktilität, weshalb beim Abkühlen Risse entstehen können. Vorwärmen verringert den thermischen Gradienten und minimiert so die durch das Schweißen verursachten Zugspannungen. Generell erfordern höhere Schweißtemperaturen auch höhere Vorwärmtemperaturen.

Ist ausreichendes Vorwärmen nicht möglich, sollte die Wärmeeinbringung minimiert, ein Niedertemperaturschweißverfahren gewählt und niedrigschmelzende Zusatzwerkstoffe verwendet werden.

Die Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst direkt die am Schweiß entstehenden Spannungen. Rasches Abkühlen verursacht Kontraktion, was spröde, rissanfällige Schweißnähte ergibt. Langsames Abkühlen reduziert Härtung und Kontraktionsspannungen.

4. Schweißtechniken für Gusseisen

Theoretisch können alle gängigen Lichtbogenschweißverfahren wie Elektrodenhandschweißen, Fülldrahtschweißen, MAG-Schweißen, Unterpulverschweißen, WIG-Schweißen etc. eingesetzt werden. Bevorzugt sind Verfahren, die langsames Erhitzen und Abkühlen ermöglichen.

1. Elektrodenhandschweißen (MMA / SMAW)

Dieses Verfahren gilt allgemein als das beste für Gusseisen – vorausgesetzt, die richtigen Elektroden werden verwendet. Die Elektrodenwahl hängt von der Anwendung, der gewünschten Farbanpassung und der nachträglichen Zerspanbarkeit ab.

Die zwei Haupttypen sind eisenbasierte und nickelbasierte Elektroden. Eisenbasierte Elektroden erzeugen ein martensitisches, kohlenstoffreiches Schweißgut und eignen sich daher meist nur für kleinere Reparaturen oder wenn Farbanpassung gefordert ist.

Nickelhaltige Elektroden sind am häufigsten im Einsatz, da sie ein duktileres Schweißgut liefern. Sie können zudem Vorwärmen und WEZ-Rissbildung verringern, indem sie ein niedrigerfestes Schweißgut bereitstellen.

In allen Fällen sollte die Aufschmelzung des Grundwerkstoffs minimiert werden, um die Vermischung (Aufkohlung) zu reduzieren.

2. MAG-Schweißen

MAG-Schweißen wird meist mit nickelhaltigem Zusatzwerkstoff durchgeführt. Eine Gasgemisch aus 80 % Argon und 20 % CO₂ eignet sich für die meisten Anwendungen. Zwar kann Lötzinn-Draht verwendet werden, dies wird jedoch generell nicht empfohlen, da das Lötmetall deutlich schwächer als der Guss ist.

3. WIG-Schweißen

WIG-Schweißen kann saubere Nähte auf Gusseisen erzeugen, wird jedoch aufgrund der stark lokalisierten Wärmeeinbringung nicht generell bevorzugt. Wie beim gesamten WIG-Schweißen hängt die Nahtqualität maßgeblich vom Können des Schweißers ab.

4. Autogenschweißen (Oxy-Acetylen)

Auch hier werden Elektroden verwendet, jedoch liefert ein Oxy-Acetylen-Brenner die Energie statt eines Lichtbogens. Gusseisenelektroden und Kupfer-Zink-Elektroden eignen sich beide für das Autogenschweißen von Gusseisen.

Es muss vermieden werden, das Gusseisen während des Acetylenschweißens zu oxidieren, da dies Siliciumverlust und die Bildung von Weißguss in der Naht verursacht. Der Zusatzwerkstoff sollte im schmelzflüssigen Schweißbad schmelzen, nicht direkt in der Flamme, um Temperaturgradienten zu minimieren.

5. Lötenschweißen (Braze Welding)

Lötenschweißen ist eine gängige Methode zum Verbinden von Gusseisenteilen, da der Grundwerkstoff kaum beeinflusst wird. Ein Zusatzwerkstoff haftet auf der Gusseisenoberfläche. Da dessen Schmelzpunkt niedriger liegt als der des Gusseisens, mischt er sich nicht mit dem Grundwerkstoff, sondern benetzt die Oberfläche.

Sauberkeit der Oberfläche ist hier kritisch, da die Verbindung von der Benetzungsqualität abhängt. Laut Machine Design ist die Verwendung von Flussmittel zur Verhinderung von Oxiden beim Löten üblich. Es fördert die Benetzung, lässt den Zusatzwerkstoff über die zu verbindenden Metallteile fließen und reinigt diese von Oxiden, sodass der Zusatz fester haftet. Flussmittel werden auch beim Schweißen zur Reinigung von Metalloberflächen eingesetzt.

Schweißtechniken ohne Vorwärmen

Größe des Gussstücks oder andere Umstände können ein Schweißen ohne Vorwärmen erfordern. In diesem Fall muss das Teil kühl, aber nicht kalt gehalten werden.

Ein Erwärmen auf ca. 38 °C (100 °F) ist hilfreich. Bei Motorbauteilen kann ein kurzer Lauf diese Temperatur erreichen. Das Bauteil nie so heiß werden lassen, dass man die bloße Hand nicht mehr darauflegen kann.

Kurze Schweißnähte von ca. 25 mm (1 Zoll) Länge auftragen. Das Nachklopfen (Peening) nach dem Schweißen ist bei dieser Technik wichtig. Schweißnaht und Gussstück abkühlen lassen – nicht durch Wasser oder Druckluft beschleunigen.

Während die vorherige Naht abkühlt, kann an einer anderen Stelle weitergeschweißt werden. Alle Krater müssen gefüllt werden. Wo möglich, sollten die Lagen in gleicher Richtung abgeschweißt werden, und die Enden paralleler Lagen sollten nicht fluchten.

Zusatzwerkstoffe (Draht oder Elektroden) für Guss-Schweißen

Wie erwähnt, ist die Wahl des Zusatzwerkstoffs entscheidend; die meisten Experten empfehlen Nickelelektroden.

1. 99 % Nickelelektroden

Diese sind teurer, liefern aber die besten Ergebnisse. Sie erzeugen zerspanbare Schweißnähte und eignen sich am besten für Gussstücke mit niedrigem bis mittlerem Phosphorgehalt. Reinnickel-Elektroden erzeugen ein weiches, zähes Schweißgut.

2. 55 % Nickelelektroden (Ferro-Nickel)

Günstiger als 99%-Typen, ebenfalls zerspanbar und häufig für Dickwandreparaturen eingesetzt. Durch den niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten entstehen weniger Nahtfugenrisse als bei 99%-Stäben. Ideal zum Schweißen von Gusseisen auf Stahl.

3. Stahlelektroden

Die günstigste Option, jedoch weniger effektiv als Nickel. Geeignet für kleinere Reparaturen und Auffüllungen. Stahlelektroden erzeugen harte Schweißnähte, die aufwendig nachgeschliffen werden müssen und nicht zerspanbar sind. Dennoch bieten sie Farbanpassung und tolerieren weniger saubere Gussstücke besser als Nickelelektroden.

4. Lötbronze

Kann autogen gelötet oder mit WIG verarbeitet werden. Eine gute Möglichkeit, Risse oder Bauteilverbindungen fest zu fügen, ohne Rissbildung oder Eigenschaftsänderungen am Gusseisen zu verursachen.

Reinigung und Nachklopfen (Peening) der Schweißoberflächen

Wie beim meisten Schweißen gilt: Je sauberer die Oberfläche, desto besser die Naht. Manchmal hat das Werkstoff ein ganzes Leben lang Dämpfe oder Öl aufgenommen, was das Schweißen erschwert. Spezielle Zusatzwerkstoffe wie MG-289 Gusseisen-Schweißlegierungen, die für verunreinigtes Gusseisen ausgelegt sind, sichern hier die Nahtqualität.

Peening ist das leichte Klopfen des noch weichen, abkühlenden Schweißguts mit einem Kugelhammer zur Rissvermeidung. Dies sollte vorsichtig und nur erfolgen, solange sich das Schweißgut verformen lässt. Es ist nicht immer nötig, da primär unregelmäßiges oder zu schnelles Erhitzen/Abkühlen Risse verursacht. Vorwärmen und langsames Abkühlen sind entscheidend.

Vorwärmen oder Kalt-Schweißen?

Es gibt unterschiedliche Meinungen, ob heiß oder kalt geschweißt werden soll. Alle sind sich einig, dass Vorwärmen eine gute Option ist, aber manche vertreten, dass minimales Wärmeeinbringen ebenfalls ausreicht.

Bei der Entscheidung für eine Vorgehensweise ist einer dieser Ansätze zwingend, denn anders als die meisten Metalle ist Gusseisen spröde und kann sich durch Biegen, Ausdehnung oder Kontraktion kaum verformen. Wärme verformt Metall immer; wenn ein Teil schneller heizt oder kühlt als ein anderer, entstehen Spannungen und Risse im Gusseisen oder in der Naht.

Vorwärmen minimiert dies, indem der Umgebungsbereich der Naht auf die Schweißtemperatur gebracht wird, sodass sich das gesamte Bauteil gleichmäßig ändert. Gusseisen ändert seine Eigenschaften ab ca. 760 °C (1400 °F), daher darf keine übermäßige Wärme eingebracht werden.

Kaltes Schweißen ohne Vorwärmen mit minimaler Wärmeeinbringung reduziert die Gesamttemperatur. Dies kann sichtbare Risse vermeiden und erzeugt eine stärkere Naht als heißes Schweißen ohne Vorwärmen. Dennoch entstehen innere Spannungen, die sich später im Bauteilleben zeigen können, und die Naht ist insgesamt schwächer als bei ordnungsgemäßem Vorwärmen.

Erfahrene Gusseisenschweißer, die regelmäßig Reparaturen oder Fertigungen durchführen, wenden ausschließlich Vorwärmen an. Dies ist der beste Weg, um sicherzustellen, dass die Naht nicht nur äußerlich rissfrei, sondern auch innerlich fest ist.