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Verfahren zum elektrischen Schweißen Es ist ein elektrisches Schweißverfahren
bekannt, bei dem die abzuschmelzende Elektrode dauernd in eine Schweißmasse aus
Silikaten der Alkali- und Erdalkalimetalle eintaucht und bei dem im Verhältnis zur
aufgewendeten Stromstärke dünne, hochbelastete Schweißdrähte verwendet werden, welche
mit einer Geschwindigkeit von 0,7 m/min bis i m/min oder mehr der Schmelzzone
zugeführt werden.
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Durch dieses Verfahren wird erreicht, daß der Schweißstelle unter
Aufrechterhaltung des quasistationären Zustandes sehr große Mengen Schweißmetall
in der Zeiteinheit zugeführt werden können, ohne daß der Schweißdraht grundsätzlich
dicker zu sein braucht, als es auch bei anderen Schweißverfahren mit Abschmelzelektroden
üblich ist. Es wurde jedoch festgestellt, daß sich bei der Steigerung der elektrischen
Leistung auf Stromdichten im Schweißdraht, die über 25 Amp./mmz liegen, die unerwünschte
Erwärmung des Schweißdrahtes durch die Joulesche Stromwärme nicht in allen Fällen
mit voller Sicherheit allein durch die hohe Drahtgeschwindigkeit verhindern läßt:
Bekanntlich wird der Abschmelzelektrode der elektrische Strom durch Kontaktbacken
zugeführt, zwischen denen die Elektrode hindurchgleitet, nachdem sie eine Vorrichtung
zum Geraderichten durchlaufen hat. Diese Kontaktbacken sind oberhalb der Schweißstelle
derart angeordnet, daß sie die geradegerichtete Elektrode auf die Schweißstelle
richten. Beim . Schweißen mit offenem Lichtbogen ist man
bestrebt,
diese Kontaktbacken, soweit es die Steifigkeit des Drahtes zuläßt, möglichst von
der Schweißstelle entfernt zu halten, um sie gegen die von der Schweißstelle her
einwirkende Bestrahlung und Erhitzung zu schützen. Trotzdem hat man sich bei der
Lichtbogenschweißung gezwungen gesehen, die Kontaktbacken unter Umständen mit einer
zusätzlichen Kühlung zu versehen. Bei dem der Erfindung zugrunde liegenden Schweißverfahren
dagegen kann eine Erhitzung der Kontaktbacken durch Anstrahlung praktisch nicht
stattfinden, weil die Schweißstelle völlig von der Schweißmasse bedeckt ist. Eine
Erhitzung der Kontaktbacken kann dabei nur durch den Schweißdraht erfolgen, wenn
derselbe an oder in der Nähe der Kontaktstelle zu heiß wird, was in der Hauptsache
auf die Einwirkung der Jouleschen Stromwärme zurückzuführen ist. Die Temperaturerhöhung
des Schweißdrahtes wird aber um so größer, je länger der Draht im stromdurchflossenen
Gebiet zwischen den Kontaktbacken und der Schweißstelle verweilt.
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Erfindungsgemäß wird die unzulässige Erwärmung des mit einer Geschwindigkeit
von o,7 m/rnin bis i m/min oder mehr zur Schweißstelle geförderten Drahtes dadurch
vermieden, daß der lichte Abstand L zwischen der Kontaktvorrichtung, durch welche
dem Schweißdraht der elektrische Strom zugeführt wird, und dem Werkstück zur Erzielung
geringer Verweilzeiten des Schweißdrahtes im stromdurchflossenen Gebiet durch die
Beziehung
bestimmt ist.
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In - der Formel bedeutet u, = Drahtgeschwindigkeit, i = Stromdichte
im- Schweißdraht und o = die Kennziffer, die durch die Beziehung bestimmt ist
hierin ist T = die höchste Temperatur des Drahtes, To = Bezugstemperatur, für die
in die Gleichung die Stoffwerte einzusetzen sind, nämlich y, - c, = spezifische
Wärme des Schweißdrahtes und e, = spezifischer elektrischer Widerstand des Schweißdrahtes.
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Insbesondere soll L < io cm sein.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren können sehr hohe Stromdichten, z.
B. bei Eisen mehr als 25 Amp./mm2, angewendet werden.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß einerseits die Erwärmung
des stromdurchflossenen Teiles der Elektrode bei gegebenem Abstand zwischen Kontakt
und Schweißstelle um so geringer ist, je höher die Drahtgeschwindigkeit ist, und
daß andererseits die Stromdichte ohne Erhöhung der Drahttemperatur um so mehr gesteigert
werden kann, je j kleiner der Abstand der Kontaktstellevon der Schweißstelle und
je höher die Drahtgeschwindigkeit ist. Wenn man nun beides stark ändert, nämlich
erstens die Drahtgeschwindigkeit wesentlich erhöht, z. B. bis zu i,5 m/min herauf,
und zweitens den Abstand vom Kontakt bis zur Schweißstelle wesentlich verringert,
z. B. bis zu 50 mm herab, so ist es möglich, so kurze Verweilzeiten jedes
einzelnen Drahtelementes im stromdurchflossenen Gebiet zu erreichen, daß wesentlich
höhere Stromdichten angewendet werden können als bisher, ohne daß der Draht sich
unzulässig erwärmt. Hierbei müssen die hohe Drahtgeschwindigkeit und die hohe Stromstärke
natürlich derart aufeinander abgestimmt sein, daß die Drahtgeschwindigkeit gleich
der Abbrandgeschwindigkeit an der Schweißstelle ist.
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Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre lassen sich folgende praktisch
erprobten Werte erzielen: Drahtgeschwindigkeit o,7 bis 1,5 m/min, Abstand zwischen
Kontakt- und Schweißstelle 5o bis 8o mm.
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Es hat sich gezeigt, daß der Einfluß der Wärmeleitung von der Schweißstelle
entlang der Schweißelektrode im Verhältnis zum Einfluß der' Stromwärme nur gering
ist. Auch der Einfluß und die Schwankungen der Raumtemperatur sowie der Wärmeverlust
durch Konvektion und Strahlung auf die Temperatur des Schweißdrahtes ist infolge
der geringen Verweilzeit desselben im stromdurchflossenen Bereich ziemlich gering.
Infolgedessen ist auch das Verhältnis der Elektrodenoberfläche zum Elektrodendurchmesser
nicht von entscheidendem Einfluß. Es läßt sich nun eine rechnerische Beziehung aufstellen,
die in verhältnismäßig einfacher Weise eine Aussage darüber macht, in welcher Weise
die die Drahttemperatur beeinflussenden Größen zusammenwirken. Man erhält so unter
Berücksichtigung des Vorhergesagten eine Gleichung für eine dimensionslose Kenngröße
a, welche ihrerseits eine Funktion der Drahttemperatur ist. Demnach ist
Hierbei gilt weiterhin die Beziehung
wobei T die Temperatur des Schweißdrahtes in erster Näherung an der Abschmelzstelle,
in Wirklichkeit aber dicht vor der Abschmelzstelle ist, was praktisch auf das gleiche
hinausläuft.
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In der Zeichnung ist die Beziehung zwischen dieser Temperatur T und
der dimensionslosen Kennziffer o graphisch dargestellt, und zwar für einen Schweißdraht
aus
reinem Eisen, bei dem die Werte von e und y - c bei verschiedenen Temperaturen die
folgenden sind:
Es kann angenommen werden, daß die Eigenschaften des üblichen Schweißdrahtes von
den obigen, für reines Eisen bekannten Werten nicht stark abweichen, so daß man
also für eine bestimmte zulässige höchste Temperatur der Schweißelektroden nahe
der Schweißstelle den entsprechenden Wert der Kennziffer er aus der Kurve ohne weiteres
entnehmen und dann nach der Gleichung für ar brauchbare Werte für
i, tv und
L ermitteln kann. Auch hier ist natürlich wiederum Voraussetzung, daß w gleich
der Abbrandgeschwindigkeit der Elektrode ist. Wie groß dieselbe in Wirklichkeit
ist, darüber sagt die Gleichung nichts gus. Das bedeutet aber nur, daß, wenn einige
korrespondierende Werte zwischen
i, w und
L rechnerisch ermittelt
sind, durch eine spätere praktische Erprobung diese drei Werte so einzuregulieren
sind, daß bei gegebenem Abstand
L die Werte für
i und w mit Rücksicht
auf die Abbrandgeschwindigkeit richtig einreguliert werden müssen, was ohne weiteres
möglich ist.
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Als zulässige Höchsttemperatur an der wärmsten Stelle der Elektrode,
wird man sich im allgemeinen auf Temperaturen zwischen i50 und 400° einschränken
müssen. Das ergibt aber bei geringem Abstand ;wischen Kontaktstelle und Schweißstelle
und bei hoher Drahtgeschwindigkeit so hohe Stromstärken, daß die eingangs geschilderten
ungewöhnlich hohen Schweißleistungen tatsächlich zustande kommen.
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Beispielsweise würde beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Schweißdraht
von 6,35 mm 0, -der mit einer Geschwindigkeit von 2 cm/sec zur Schweißstelle
gefördert wird, mit einer Stromstärke von i2oo Amp. entsprechend einer Stromdichte
von 38 Amp./mm2 belastet werden können. Die Drahttemperatur in der Nähe der Schweißstelle
beträgt dabei 20o° und der Abstand der Kontaktstelle von der Schweißstelle nur 8,4
cm. Da die Stromzuführungsklaue, durch welche der Schweißdraht gleitet, eine gewisse
Länge haben muß, denn eine punktförmige Kontaktstelle kommt praktisch nicht in Frage,
so ist die untere Kante der Klaue erheblich weniger als 8 cm von der Schweißstelle
entfernt. Eine störende Erhitzung der Klaue oder des Schweißdrahtes tritt dabei
so wenig ein, daß die bei ähnlichen Anlagen sonst übliche Wasserkühlung unnötig
wird. Auch hierin liegt ein technischer Erfolg. Entsprechend vorstehenden Angaben
werden im Falle dieses Beispieles über o,6 cm3 Schweißgut in jeder Sekunde in die
Schweißfuge gefördert.
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Statt der in der Zeichnung dargestellten Kurve lassen sich ähnliche
Kurven auch für andere Materialien, z. B. Kupfer, Aluminium u. dgl., aufstellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dementsprechendgegebenenfalls bei jedem beliebigen
Schweißmaterial Anwendung finden. Es genügt unter Umständen auch, in der Gleichung
der Kenngröße a den Faktor für das betreffende Metall oder die Legierung einzusetzen
und die anliegende Kurve für die Ermittlung von i und w zu benutzen.
Schließlich ist die Benutzung derartiger Kurven kein unbedingtes Erfordernis. Es-
können auch praktische Versuche auf Grund der erfindungsgemäßen Lehre genügen, um
bei geringem Abstand zwischen Stromzuführungsstelle und Schweißstelle genügend hohe
Stromstärken und Drahtgeschwindigkeiten so aufeinander abzustimmen, daß bei höchster
Schweißleistung Drahtgeschwindigkeit und Abbrand einander entsprechen.