Schweißen von Gusseisen

Hinweise für den Anwender
Schweißen von Gusseisen
Gusseisen-Sorten
Gusseisen ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit Kohlenstoffgehalten von 2,06 bis ca. 4 %, Silizium von 0,5 bis 3 %
und Phosphor meist zwischen 0,1 und 0,6 %. Die Formgebung der Teile aus Gusseisen erfolgt durch Gießen in entsprechende Formen, da der Werkstoff weder kalt- noch warmumformbar ist.
Der Kohlenstoff kann im Gusseisen in zwei Formen vorliegen:
• an Eisen gebunden, in Form von Zementit Fe3C (weißes Gusseisen = Hartguss)
• als freier Kohlenstoff in Form von Graphit, lamellar, kugelförmig (globular) oder wurmförmig (vermicular) ausgebildet
Abkühlgeschwindigkeit und Siliziumgehalt haben einen großen Einfluß auf die Gefügeausbildung des Gusseisens.
Weißes Gusseisen - Hartguss
Bei schneller Abkühlung oder niedrigem Siliziumgehalt entsteht ein Gefüge aus Ledeburit, Perlit und eventuell Martensit.
Nach der Farbe der Bruchfläche wird es als weißes Gusseisen bezeichnet. Die Bezeichnung „Hartguss“ beschreibt die
hohe Verschleißbeständigkeit. Weißes Gusseisen ist spröde und nicht zum Schweißen geeignet.
Langsame Abkühlung oder höherer Siliziumgehalt führt zur Ausscheidung des Kohlenstoffs in Form von Graphit in einer
ferritisch-perlitischen oder perlitischen Grundmasse. Nach der Graphitausbildung unterscheidet man zwischen Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL, früher GG) und mit Kugelgraphit (GJS, früher GGG).
Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL – früher GG)
Dieser Guss ist vergleichsweise einfach zu fertigen. Die Verwendbarkeit dieses Gusstypes wird dadurch eingeschränkt,
dass die Graphitlamellen als innere Kerben wirken, was zu einer sehr geringen Verformungsfähigkeit führt. Die Bruchdehnung liegt meist unter 1 %. Die erreichbaren Zugfestigkeiten bewegen sich zwischen 100 MPa und 450 MPa. Die
Einteilung des GJL beruht auf der Mindestzugfestigkeit oder der Härte; typische Beispiele für die nach Zugfestigkeit eingeteilten GJL-Sorten nach DIN EN 1561 sind EN-GJL-100 (früher GG-10); EN-GJL-150 (früher GG-15); EN-GJL-350
(früher GG-35). Schweißbar mit Schweißzusätzen auf Nickelbasis.
Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS – früher GGG)
Durch Zugabe von Magnesium, Cer oder Calcium zur Schmelze kann der Graphit nahezu vollständig in eine weitgehend kugelige Form übergeführt werden. Gusseisen mit Kugelgraphit erreicht im Vergleich zum Gusseisen mit
Lamellengraphit deutlich höhere Zugfestigkeitswerte und eine bessere Bruchdehnung. Die Klassifizierung erfolgt nach der Mindestzugfestigkeit. Beispiele für die nach Zugfestigkeit eingeteilten GJS-Sorten nach DIN EN 1563:
EN-GJS-500-2 (früher GGG-40); EN-GJS-600-3 (früher GGG-60); EN-GJS-800-2 (früher GGG-80).
Schweißbar mit Schweißzusätzen auf Nickelbasis.
Vermicularguss (GJV)
Durch legierungstechnische Massnahmen liegt der Graphit größtenteils in vermicularer Form vor (vermiculus = Würmchen), der Rest ist Kugelgraphit. GJV besitzt Eigenschaften (Festigkeit, Dämpfung, Wärmeleitfähigkeit), die zwischen GJS
und GJL liegen. Schweißbar mit Schweißzusätzen auf Nickelbasis.
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Schweißen von Gusseisen
Temperguss
Im ledeburitisch erstarrten Temperrohguss liegt der gesamte Kohlenstoff in gebundener Form als Zementit vor. Nach
Art der nachfolgenden Glühbehandlung, bei der der Zementit zerfällt, unterscheidet man zwei handelsübliche Arten von
Temperguss:
Weißer Temperguss (GJMW – früher GTW)
Je nach Glühdauer in einer entkohlenden (oxidierenden) Atmosphäre entsteht eine mehr oder weniger dicke kohlenstoffarme ferritische Randschicht, im Kern liegt Perlit mit Temperkohle vor. Die Sorte EN-GJMW-360-12 (GTW-S38-12) ist
uneingeschränkt mit ferritischen Schweißzusätzen schweißbar. Andere GJMW-Qualitäten sind ebenfalls mit ferritischen
Schweißzusätzen schweißbar, müssen dazu allerdings tiefer entkohlt worden sein (C max. 0,3 %). Bei höheren C-Gehalten kann mit Nickelbasiszusätzen geschweißt werden. Wegen der Analyseneinschränkung sollte hier Rücksprache mit
dem Gusshersteller gehalten werden. Die Klassifizierung in DIN EN 1562 erfolgt nach der Mindestzugfestigkeit; Benennungsbeispiele sind EN-GJMW-400-5 (früher GTW-40) und EN-GJMW-550-4 (früher GTW-55).
Schwarzer Temperguss (GJMB – früher GTS)
Durch Glühen in neutraler Atmosphäre zerfällt der Zementit und bildet Temperkohle in einem ferritischen Grundgefüge.
Schwarzer Temperguss ist mit Schweißzusätzen auf Nickelbasis schweißbar.
Die Klassifizierung in DIN EN 1562 erfolgt nach der Mindestzugfestigkeit. Benennungsbeispiel: GJMB-350-10
(früher GTS-35).
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Schweißen von Gusseisen
Schweißen von Gusseisen mit artähnlichem Schweißzusatz – die „Warmschweißung“
Die Schweißung von Gusseisen mit artgleichen Schweißzusätzen (d.h. solchen, deren Schweißgutzusammensetzung
dem Gusseisens ähnlich ist), erfordert je nach Gusswerkstoff Vorwärmtemperaturen von 450 – 650 °C und eventuell
Wärmebehandlungen bei etwa 900 °C. Der aufwendig vorzubereitende Schweißprozess kann nur in Wannenlage durchgeführt werden. Die Warmschweißung wird nur noch in Sonderfällen eingesetzt und wurde in den meisten Anwendungen
durch die nachfolgend beschriebene Kaltschweißung ersetzt.
Schweißen von Gusseisen mit artfremdem Schweißzusatz – die „Kaltschweißung“
Bei diesem Verfahren, das üblicherweise als Kaltschweißen bezeichnet wird, wird das Gussstück nicht oder nur gering
(bis max. 300°C) vorgewärmt. Die dafür verwendeten Schweißzusätze sind Nickelbasiswerkstoffe.
Die Kaltschweißung kann in allen Positionen – also auch bei eingebauten oder großen Gussteilen – durchgeführt werden.
OERLIKON bietet ausschließlich Schweißzusätze für dieses Schweißverfahren an.
Vorbereitung des Werkstücks, Durchführen der Schweißung
• Grundmaterial von allen Verunreinigungen (z.B. Öl, Fett, Rost, Gusshaut) reinigen
• Rissverlauf feststellen, Rissenden abbohren
• Herstellung der Schweißfuge durch Schleifen, durch Schmelzschneiden mit dem Plasmabrenner, durch Pulverbrennschneiden oder mit einer Ausnutelektrode, z.B. der Stabelektrode SUPERCUT. Brennschneiden und autogenes
Fugenhobeln sind bei Gusseisenwerkstoffen nicht anwendbar.
• Bis zu einer Dicke von etwa 12 mm wird eine V-Naht bevorzugt. Eine X-Naht sollte gewählt werden, wenn der
Schweißbereich beidseitig zugänglich ist und wenn der Verzug möglichst gering gehalten werden soll. Der Nahtöffnungswinkel sollte 60-70° betragen.
• Gußhaut beidseitig der Schweißfuge in einer Breite von ca. 30 mm entfernen.
• Scharfe Ecken oder schroffe Übergänge vermeiden.
• Gebrochene Teile zuerst heften und dann ausarbeiten, damit exaktes Zusammenpassen garantiert ist.
• Bei hochbeanspruchten Verbindungen sollten die Nahtflanken verstiftet werden, wobei die Stifte versetzt angeordnet
werden sollten.
• In Einzelfällen hat es sich bewährt, bei Anbindungsschwierigkeiten oder Porosität der Schweißraupen an die Nahtflanken von altem oder verunreinigtem Guss „anzulegieren“. Dazu wird eine basische unlegierte Elektrode verwendet,
z.B. SUPERCITO 7018S oder TENACITO R. Eventuell muss die Anlegierungslage abgeschliffen und wiederholt aufgetragen werden. Dadurch wird ein Reinigungseffekt erzielt.
• Als Regel zur Wärmeführung gilt, dass das zu schweißende Bauteil bei Bedarf in einem Ofen komplett vorgewärmt
wird. Ein nur örtliches Vorwärmen mit einem Brenner kann durch die dann auftretenden Wärmespannungen größere
Schäden erzeugen. Bei der Kaltschweißung sollte die Zwischenlagentemperatur 100 °C nicht überschreiten, ideal
sind deutlich niedrigere Temperaturen.
• Pilgerschrittverfahren anwenden
• Optional: Tempern des Bauteiles nach dem Schweißen bei etwa 400 °C im Ofen erhöht die Risssicherheit der Verbindung
• Die Gussschweißung erfordert Erfahrung und eventuell die Wiederholung einer fehlgeschlagenen Schweißung mit
geändertem Verfahren. Durch unterschiedlichste Gusszustände und Bauteilsituationen lassen sich keine absolut
verbindlichen, mit Sicherheit sofort zum Erfolg führenden Anweisungen geben.
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Schweißen von Gusseisen
Stabelektrode SUPERFONTE Ni
Die Stabelektrode SUPERFONTE Ni ergibt ein Schweißgut aus Nickel. Es hat niedrige Festigkeit, so dass Eigenspannungen
niedrig gehalten werden. Es soll mit möglichst niedriger Streckenenergie geschweißt werden, was mit kleinem Elektrodendurchmesser und Strichraupen von max. 30 mm Länge erreicht wird. Durch Hämmern der Raupe im rotwarmen Zustand können die Zugeigenspannungen ausgeglichen werden, die durch das Schrumpfen des Nahtabschnittes entstehen
und Anlaß zur Rissbildung in der Wärmeeinflusszone geben könnten.
SUPERFONTE Ni hat sich beim Verbindungsschweißen von Teilen aus Gusseisen mit Lamellengraphit untereinander, aber
auch mit Stählen und Nichteisenmetallen bewährt. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist auch das Instandsetzen von
Bauteilen aus den gängigen Gusseisenwerkstoffen. Speziell hervorzuheben ist die Eignung zur Reparatur von Rissen in
schrumpfbehinderten Gusskonstruktionen.
Stabelektroden SUPERFONTE NiFe und SUPERFONTE BM
Beide Elektroden ergeben ein Schweißgut aus ca. 50% Ni und 50% Fe. Im Vergleich zu Ni-Schweißgut zeichnet es
sich durch einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (dadurch geringe Schrumpfung) sowie höhere Festigkeitund Zähigkeitswerte aus. Das Strecken durch des Schweißraupen durch Abhämmern ist dadurch aber weniger effektiv.
Das Schweißgut dieser Elektroden ist zäh und rißsicher und bei guten Festigkeitseigenschaften spanend bearbeitbar.
SUPERFONTE BM enthält einen Bimetallkernstab, während SUPERFONTE NiFe mit einem Kernstab aus einer homogenen Ni-Fe-Legierung hergestellt wird. Der Bimetallkernstab ermöglicht eine höhere Strombelastbarkeit und exzellente
Schweißeigenschaften in allen Positionen. Der Ni-Fe Legierungstyp wird bevorzugt zum Schweißen von Gusseisen mit
Kugelgraphit, von schwarzem Temperguss und von ihren Verbindungen mit Stahl eingesetzt, aber auch für allgemeine
Reparatur- und Instandsetzungsarbeiten an den gängigen Gusseisensorten. Für die Schutzgasschweißung kann die
entsprechende Massivdrahtelektrode CARBOCAST NiFe eingesetzt werden.
Massivdrahtelektrode für das Schutzgasschweißen CARBOCAST NiFe
Schweißgutzusammensetzung und Anwendungsbereich entsprechen den vorgenannten Stabelektroden. Durch den Einsatz des MAG-Verfahrens lassen sich größere Schweißarbeiten wirtschaftlicher ausführen, wobei bei der klassischen
Kaltschweißung werkstoffbedingt ein niedriger Wärmeeintrag eingehalten werden sollte, um einen zu breiten aufgehärteten Saum in der Wärmeeinflusszone und eventuelle Heißrisse zu vermeiden
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