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Lichtbogen-Schutzgasschneiden von Metallkörpern
Die Erfindung betrifft das Schneiden von Werkstücken aus Metall, wie Aluminium, Kupfer und rostfreiem Stahl, mit einem offenen elektrischen Lichtbogen, der von einem Strom eines geeigneten Gases, wie z. B. Argon, Stickstoff und Argon-Wasserstoff-Gemische, umhüllt ist.
Das Lichtbogenschneiden ist nicht neu. Seit vielen Jahren werden in der Industrie Schneidbrennverfahren mit Hilfe von Kohle- oder umhüllten Elektroden durchgeführt, indem normale Schweisselektroden mit relativ hoher Stromstärke betrieben werden. Zum Lichtbogenschneiden mit einer Kohleelektrode wird zwischen einer Kohle- oder Graphitelektrode und dem Werkstück ein Lichtbogen aufrecht erhalten, dessen Hitze das Material wegschmilzt. Man kann Gleich- oder Wechselstrom verwenden, doch wird Gleichstrom bevorzugt.
Die umhüllte Elektrode wird zum Lichtbogenschneiden verwendet, wenn es sich um kleinere Arbeiten handelt und ein Autogen-Schneidbrenner oder eine Kohleelektrode nicht verfügbar ist. Man kann Elektroden mit einer gas-oder schlackebildenden Umhüllung verwenden. Letztere gibt bessere Ergebnisse, weil höhere Stromdichten verwendet werden können. Man kann sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom arbeiten. Infolge des starken Verbrauches der Elektrode sind jedoch die Kosten hoch. Ausserdem sind Elektroden mit einem Durchmesser unter 3,4 mm nicht geeignet, weil sie angesichts der bei dem Verfahren verwendeten hohen Stromstärken durch Widerstandserhitzung rasch heiss werden und schmelzen.
Man erhält sehr grobe Schnitte, allgemein mit breiten Schnittspalten und anhaftender Schlacke. Diese Verfahren werden allgemein nur bei Stahl verwendet und eignen sich nur schwer für Nichteisenmetalle.
Schneidversuche mit Lichtbogenschweissgeräten, die mit einem inerten Schutzgas und einer sich nicht verbrauchenden Elektrode arbeiten, sind unter Verwendung einer etwas kleineren Düse bei Aufrechterhaltung im wesentlichen derselben Gasgeschwindigkeit durchgeführt worden, ergaben jedoch gewöhnlich unerwünscht breite und unregelmässige Schnittspalte mit starker Schlackenbildung auf dem fertigen Werkstück. Ausserdem war die Regelung des Gesamtvorganges schwierig.
In einem kürzlich vorgeschlagenen Verfahren zum Schneiden von Metallen wird zusammen mit einem rasch strömenden Gas ein verengter, gut stabilisierter Lichtbogen zwischen einer nicht verbrauchbaren Wolframelektrode und dem Werkstück verwendet. Der in einem verengten Kanal geführte Gasstrom dehnt sich unter der Wirkung der Hitze des ebenfalls den Kanal durchsetzenden Lichtbogens aus. Der aus dem Kanal austretende Stahl trifft auf dem Werkstück auf und wird fortschreitend längs einer Bahn auf dem Werkstück bewegt ; dabei schmilzt er das Metall und entfernt dasselbe unter Bildung eines Schnittspaltes.
Das Gas besteht beim maschinellen Schneiden gewöhnlich aus 650/0 Argon und 350/0 Wasserstoff und beim händischen Schneiden aus zo Argon und 20P/o Wasserstoff und verhindert eine Oxydation der Schnittspaltwände. Mit diesem Verfahren kann man in jedem Nichteisenmetall einen schlackenfreien sägeschnitt- ähnlichen Spalt hoher Qualität erzeugen. Jedoch treten konstruktive Probleme auf, z. B. die Bildung von Doppellichtbögen (Elektrode-Düse-Werkstück) und die Notwendigkeit der Isolierung in der Vorrichtung.
Ausserdem ist die erforderliche Mindestgeschwindigkeit höher als für händischen Betrieb zweckmässig.
Die Erfindung bezweckt vor allem die Überwindung der Schwierigkeiten und Nachteile der bisherigen Verfahren.
Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, zum Schneiden von Metallkörpem einen zwischen einer nichtverbrauchbaren Elektrode und einem Werkstück erzeugten Lichtbogen zu verwenden, welcher völlig ausserhalb einer einen den Lichtbogen umhüllenden Gasstrom liefernden Düse gebildet und durch den aus
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dem verengten Auslass der Düse bei normaler Turbulenz und hoher Geschwindigkeit von mehr als7, 6 m/sec austretenden Gasstrom eingeschnürt und axial stabilisiert wird.
Die Vorrichtung zum Lichtbogen-Schutzgasschneiden besteht aus einem Lichtbogenschneidbrenner, der eine axial in einer Gasdüse angeordnete, sich nicht verbrauchende Elektrode aufweist, deren Ende sich mindestens bis zur Düsenmündung erstreckt, die im Durchmesser im wesentlichen nicht grösser ist als der zu schneidende Spalt, und eine Gaszuführungseinrichtung zur Abgabe eines Gasstromes mit einer Ge- schwindigkeit von mindestens 7,6 m/sec durch die Düsenmündung.
Die zum Schneiden verwendete Gasdüse ist etwas kleiner als die zum Lichtbogen-Schutzgasschweissen verwendete und zweckmässig rasch auswechselbar, so dass ein zum Schweissen verwendbarer Brenner rasch in einen zum Schneiden verwendbaren Brenner verwandelt werden kann. Infolge der verringerten Lichtwei- te der Lichtbogenschneiddüse verengt das austretende Gas den Lichtbogen, wodurch die axiale Stabilität des Lichtbogens derart verbessert wird, dass der Lichtbogen ein leistungsfähiges Schneidmedium darstellt.
Die Erfindung ist von besonderem Vorteil für kleine Werkstätten, besonders, wenn ein und dasselbe
Werkzeug bei blossem Austausch der Düsen abwechselnd zum Schweissen und Schneiden verwendet werden soll. Die Qualität ist zwar vielleicht nicht so gut wie beim Schneiden mit einem von festen Kanalwänden verengten Lichtbogen, doch reicht sie für zahlreiche Zwecke aus, da ein schlackenfreie Schnitt mit schmalem Schnittspalt erhalten wird.
In den Zeichnungen zeigt Fig. l, vorwiegend im Vertikalschnitt, einen Teil eines mit inertem
Schutzgas und einer schmelzbaren Elektrode betriebenen Lichtbogenschweissbrenners zur Erzeugung eines gasverengten Lichtbogens.
Fig. 2 zeigt einen nichtpfeifenden Lichtbogen in einer Seitenansicht, Fig. 3A, 3B, 3C und 3D zeigen einen pfeifenden Lichtbogen in ähnlicher Darstellung. Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Spannung und Lichtbogenlänge bei pfeifenden und nichtpfeifenden Wolfram-Lichtbögen und verschiedenen Gasgeschwindigkeiten. Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen Frequenz und Gasgeschwindig- keit bei drei Lichtbögen mit verschiedenen Stromstärken. Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen Frequenz und Stromstärke bei verschiedenen Schutzgasgeschwindigkeiten.
Der pfeifende Lichtbogen, wie er für das Lichtbogen-Schutzgasschweissen von Aluminium mit schmelzbarer Elektrode verwendet wird, unterscheidet sich von einem gewöhnlichen schutzgasumhüllten
Lichtbogen dadurch, dass an Stelle einer im wesentlichen ruhigen Atmosphäre ein ringförmiger Schutz- gasstrom von relativ kleinem Durchmesser und relativ hoher Geschwindigkeit den Lichtbogen umgibt. Die- ser ringförmige Gasstrom, der eine relativ steife Hülle um den Lichtbogen herum bildet, bewirkt dessen axiale Stabilisierung, die zusammen mit dem völligen Luftabschluss der Schweisszone durch den Schutz- ring saubere und einheitliche Schweissraupen ergibt.
Das Pfeifgeräusch wird anscheinend durch eine Wechselwirkung zwischen dem ringförmigen Schutz- gasstrom und dem Lichtbogenplasma bewirkt. Die Tatsache, dass mit derselben Vorrichtung eine gute
Schweissleistung erzielt werden kann, wenn mit oder ohne Pfeifen gearbeitet wird, beweist, dass das Pfei- fen bzw. seine Quelle kein wesentliches Element des Verfahrens ist. Das Pfeifen ist jedoch nützlich als
Anzeige dafür, dass eine optimale Gasströmung und eine optimale Lage des Lichtbogens in dem Schutzgas- ring erreicht wurde. Fig. 1 zeigt die geometrische Anordnung des pfeifenden Lichtbogens beim Schutzgasschweissen mit schmelzbarer Drahtelektrode. Gasströme von mehr als 0, 85 m/h erzeugen bei Lichtbo- genstromstärken über 200A einen Pfeifton mit einer Frequenz von etwa 1000 Hz.
Das Pfeifen wurde ferner mit einer Wolframelektrode von 6,4 mm Durchmesser untersucht, die an
Stelle des in Fig. 1 verwendeten Führungsrohres mit Drahtelektrode verwendet wurde. Man erhielt einen sehr stabilen Lichtbogen, mit dem es sich leicht arbeiten liess. Fig. 2 und 3 zeigen die Wirkung des Licht- bogenplasmas unter Pfeifbedingungen und in Abwesenheit von Pfeifbedinguagen. Diese Beobachtungen wurden mit Hilfe von Filmen gemacht, die mit 6000 Bildern pro Sekunde aufgenommen wurde. Wenn ohne Pfeifen gearbeitet wird, ist das Plasma sehr ruhig. Beim Auftreten eines Pfeifgeräusches ist das Plas- ma sehr richtungsstabil, doch tritt am Umfang des Plasmas eine Wellenbewegung auf, die der Welle ähnelt, die vom Wind auf einem Flüssigkeitsspiegel erzeugt wird.
Die Welle beginnt in der Nähe der
Kathode mit kleiner Amplitude, und ihre Amplitude wächst, bis sie das Ende des Plasmas am Werkstück erreicht. Die Welle wandert etwa mit derselben Geschwindigkeit wie das Schutzgas, z. B. bei einer Gas- strömung von 1, 13 m3/h mit 7, g m/sec. In vielen Fällen ist eine zweite oder sogar eine dritte harmoni- sche Welle sichtbar. Diese Wellen wandern mit einer etwas höheren Geschwindigkeit als die Grundwelle.
Bei dem pfeifenden Lichtbogen wurde beobachtet, dass das Spannungsgefälle in der Lichtbogensäule bei Verwendung von Argon 7, 1 V/cm betrug, während das Spannungsgefälle in der Lichtbogensäule bei einem offenen Argonlichtbogen 5, 1 V/cm betrug. Dieses erhöhte Spannungsgefälle ist in jenen Fällen vorteilhaft, in denen ein steifer, tief eindringender Lichtbogen erwünscht wird.
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Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Pfeifgrundfrequenz von der Gasströmung. Die Werte wurden mit einem Frequenzmessgerät (sound analyzer) bei verschieden starken Lichtbogenströmen gemessen. Die Frequenz nimmt nicht linear mit der Strömungsmenge zu. In allen Fällen beobachtet man eine zweite und dritte Harmonische. Die Intensität der Harmonischen nimmt allgemein in der Reihenfolge der Harmonischen ab. In manchen Fällen ist die zweite Harmonische nicht ausgeprägt, doch wird ein Frequenzband im Bereich der zweiten Harmonischen erhalten. Bei sehr starker zweiter Harmonischer beobachtet man am Umfang des Lichtbogens eine weitere Welle, deren Frequenz der zweiten Harmonischen entspricht.
Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen Frequenz und Lichtbogenstromstärke bei verschiedenen Gasströmungsmengen. Die Frequenz nimmt fast linear mit der Lichtbogenstromstärke zu. Die Pfeiffrequenz ist bei einer Gasdüse von 9, 5 mm Durchmesser von der Lichtbogenlänge unabhängig. Bei Verwendung einer becherförmigen Gasdüse von 12, 7 mm Durchmesser und einer Elektrode von 6, 4 mm Durchmesser wurde eine gewisse Abhängigkeit von der Länge beobachtet.
Die Intensität des Pfeifens ist eine Funktion der Gasströmungsmenge, der Lichtbogenstromstärke und der Lichtbogenlänge. Das stärkste Pfeifen wurde bei 350A, 17,5V,1,41m/ ! i Argon und einem 12, 7 mm langen Lichtbogen beobachtet. Die Grundfrequenz betrug 1300 HzmitHarmonischen bei 2600,3900, 5200 und 6500 Hz. Wahrscheinlich waren auch höhere Harmonische vorhanden, doch hatte das verwendete Frequenzmessgerät nur einen Messbereich bis 7200 Hz. Mit höheren Stromstärken und längeren Lichtbögen kann man wahrscheinlich immer stärkere Geräusche erzeugen, so dass weitere Harmonische gemessen werden können.
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0,65 mFig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Spannung und der Lichtbogenlänge bei dem pfeifenden Wolframlichtbogen und dem nichtpfeifenden Wolframlichtbogen und verschiedenen Gasströmungsmengen. Bei gegebener Lichtbogenlänge nimmt die Spannung mit zunehmender Gasmenge etwas ab. Beispielsweise beträgt bei einem Lichtbogen von 6, 4 mm, 300A und 0, 85 mS/h die Spannung 14, 8V ; bei 1, 70 mS/h beträgt sie 14, V. Bei längeren Lichtbögen ist die Spannung weniger stark von der Gasmenge abhängig.
Der aus der Steilheit der Kurve ersichtliche Spannungsgradient in der Lichtbogensäule beträgt bei dem nichtpfeifenden Lichtbogen 5, 1 V/cm, bei dem pfeifenden Lichtbogen 7, 1 V/cm. Die von dem pfeifenden Lichtbogen auf die Anode übertragene Wärmemenge ist jedoch nur etwa 510 grösser als bei dem offenen Lichtbogen.
Nach dem Schlierenverfahren aufgenommene Gasströmungsbilder zeigten, dass mit einer kleineren Gasdüse mit einer lichten Weite von 9, 5 mm, einer Elektrode von 6, 4 mm und einem Argon-HeliumGemisch eine glattere Gasströmung erhalten wird. Bei Verwendung einer grösseren Gasdüse mit einer Lichtweite von 19 mm ist in der ganzen Gashülle Turbulenz erkennbar. Bei der kleinen Gasdüse wird die laminare Strömung in der Hülle bis zum Werkstück aufrechterhalten. Der Lichtbogen unterstützt die Formgebung der Gasströmung, so dass die abgeschirmte Fläche viel grösser ist als der Durchmesser der Gasdüse.
Messungen der Verunreinigung durch Luft haben gezeigt, dass bei der Gasdüse von 9, 5 mm die abgeschirmte Fläche mindestens ebenso gross ist wie bei der Gasdüse von 19 mm, wenn dieselbe Gasmenge durch die Düse strömt, da an den turbulenten Grenzflächen der Strömung Luft in die Hülle hineingezogen wird. Diese Verunreinigung ist bei den laminaren Strömungen nicht vorhanden.
Das Pfeifen des Lichtbogens ist somit eine Wechselwirkung zwischen dem Lichtbogenplasma und dem Schutzgas. Man kann den Lichtbogen als einen heissen Gasstrahl ansehen, der pfeift, wenn die richtigen Beziehungen zwischen den Geschwindigkeiten und Dichten des Strahles und der ihn umgebenden Atmosphäre vorhanden sind. Die Theorie der Unstabilität von Strahlen in zwei Dimensionen ist von Rayleigh in Theory and Sound, Sonderdruck 1945, verlegt bei Dover Publications, New York, ausgearbeitet worden.
Die Erweiterung auf drei Dimensionen ist jedoch sehr kompliziert. Es zeigt sich, dass die Grenze zwischen dem Strahl und seiner Umgebung bei einer bestimmten Wellenlänge gewöhnlich weniger stabil ist als bei allen andern. Diese Wellenlänge herrscht gegenüber den andern vor, so dass ein einziger Ton mit seiner Harmonischen gehört wird. Wenn keine bestimmte Wellenlänge mit geringerer Stabilität vorhanden ist, rauscht der Strahl.
Die Spannungsschwankungen in dempfeifendenWolframlichtbogen sind stets sinusförmig und haben die Grundfrequenz des Pfeiftones. Gleichzeitig aufgenommene Zeitrafferfilme und Aufzeichnungen der Lichtbogenspannung zeigen, dass die Schwankungen der Lichtbogenspannung mit der Grundwelle derart synchron sind, dass das Spannungsminimum erhalten wird, wenn der Wellenberg die Anode erreicht, während das Spannungsmaximum auftritt, wenn das Wellental die Anode erreicht. Ferner erkennt man, dass
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das Plasma in die Anode hinuntergedrückt wird, wern der Wellenberg sich abwärts auf die Anodenfläche zu bewegt. Die Spannungsschwankung kann aus der Veränderung des Spannungsabfalles an der Anode bestehen, die auftritt, wenn das Lichtbogenplasma auf die Anode heruntergedrückt wird.
Auch die Abnahme der Lichtbogenspannung bei Erhöhung der Strömungsmenge von 0, 85 auf 1, 7 m ! l/h kann auf eine Abnahme des Spannungsabfalles zu der Anode zurückzuführen sein. Diese Daten würden dann anzeigen, dass der Spannungsabfall an der Anode bei einem Argonlichtbogen von 12,7 mm Durchmesser und 300 A bei wassergekühlter Anode mindestens 0, 5 V beträgt.
Schnitte guter Qualität wurden mit einem Brenner erhalten, der mit einer Düse von 6,4 mm Durch-
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Die Mindestströmungsmenge betrug etwa 0,05-0, 08 m*/h. Die besten Ergebnisse wurden mit einer Strö- mungsmenge von etwa 1, 13 mS/h und einer Gasgeschwindigkeit von 10,5 m/sec erzielt.
Mit einem maschinell gesteuerten Brenner wurden Schnitte in 3, 2, 6, 4 und 12, 7 mm starkem Aluminium, 6, 4 und 12, 7 mm starkem rostfreiem Stahl und 6, 4 und 12, 7 mm starkem Kupfer erzeugt. Es wurde auch ein handgesteuerter Schweissbrenner beim Schneiden von ausgewählten Stärken der verschiedenen Metalle geprüft. In dem Versuch wurden verschiedene Gasströmungsmengen verwendet. Die meisten Schnitte wurden mit einer Düse von 6, 4 mm Durchmesser erzeugt. Die Kombination einer solchen becherförmigen Düse und der Elektrode von 3, 2 mm Durchmesser ergab die besten Schnitte. Bei Düsen von grösserem Durchmesser erhielt man Schnitte minderer Qualität mit breiten Schnittspalten.
Bei einer Strömungsmenge von 1, 7 m3/h, einer Düse von 6, 4 mm Durchmesser und einer Elektrode von 3, 2 mm beträgt die Gasgeschwindigkeit 19, & m/sec.
Schlacke bildete sich allgemein nur auf der einen Seite des Schnittes. Diese Verschiebung der Schlacke auf die eine Seite wird anscheinend von zwei Faktoren bestimmt, erstens von der ErdungSchlacke bildet sich auf der der Erde entgegengesetzten Seite - und zweitens von dem Temperaturgefälle zwischen den beiden Seiten des Schnittes-Schlacke bildet sich auf der Seite, welche die kleinste Masse hat. Die Schlackepbildung auf der heissen oder Schrottseite konnte durch Verlängerung der Elektrode in den Schnittspalt nicht beseitigt werden. Da eine solche Verlängerung die Möglichkeit einer Verunreinigung der Elektrode erhöht, wurden alle Schnitte mit einer Elektrode durchgeführt, die sich von der Düse 6, 4 mm nach unten erstreckte und einen Abstand von etwa 1, 6 mm über der Platte hatte.
Da anscheinend keine Schlacke tatsächlich entfernt, sondern die Schlacke nur von einer Seite auf die andere verdrängt wird, muss das Schneiden mit einer angemessen geringen Geschwindigkeit und mit hoher Stromstärke erfolgen, damit die Schlacke so lange schmelzflüssig bleibt, dass sie auf die Schrottseite bzw. die der Erde entgegengesetzte Seite fliessen kann. Es bildet sich Schlacke auf beiden Seiten, wenn die Schnittgeschwindigkeit zu hoch ist.
Die Düsen von verschiedenem Durchmesser wurden mit verschiedenen Strömungsmenge betrieben.
Die Verwendung von äusserst grossen Strömungsmengen, wie z. B. 2, 83 mS/h. ergab keinen Vorteil. Bei Verwendung eines Gases, das ein Gemisch von 350/0 Wasserstoff und 65% Argon enthielt, wurden bei allen geschnittenen Metallen nur sehr kleine oder überhaupt keine Unterschiede in der Schnittqualität und dem Wirkungsgrad beobachtet. Stickstoff wurde bei rostfreiem Stahl und Kupfer mit befriedigenden Ergebnissen, bei Aluminium mit schlechten Ergebnissen verwendet. Bei. Verwendung von Stickstoff erhielt man einen sehr unstabilen, rauschenden Lichtbogen.
3, 2-12, 7 mm starkes Aluminium wurde mit verschiedenen Geschwindigkeiten geschnitten. Bei einer Stärke von 3, 2 mm konnte ein schlackenfreier Schnitt nicht unter einer Geschwindigkeit von etwa 152 cm/min erzielt werden. Es hat den Anschein, dass dieses Schneidverfahren in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich durchgeführt werden muss, wie aus der bei 3,2 mm starken Aluminium erforderli- chen Mindestgeschwindigkeit und der für 6, 4 mm starkes Aluminium geltenden Höchstgeschwindigkeit hervorgeht. Mit Hilfe des händisch gesteuerten Brenners wurde ein Kreisschnitt gemacht. In diesem Falle befand sich praktisch die ganze Schlacke an dem abgetrennten Teil. Dies zeigt an, dass die Anordnung der Schlacke weniger von dem Erdanschluss als von dem Temperaturgefälle abhing.
Schnitte von ähnlicher Qualität wurden in 8, 4 und 12, 7 mm starkem Kupfer und 6,4 und 12,7 mm starkem, rostfreiem Stahl erhalten. In allen Fällen war die Unterseite schlackenfrei und es befand sich alle Schlacke auf der Schrottseite.
Mit dem Schneidverfahren unter Anwendung von Stabilisierungsw änden und höheren Gasgeschwindigkeiten erhält man Schnitte, die auf beiden Seiten eine viel bessere Qualität haben. Beim erfindungsgemässen Schneiden ist jedoch der einzige Faktor, der kritisch werden kann, die Schneidgeschwindigkeit.
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Es treten keine Schwierigkeiten durch Bildung von Doppellichtbögen und keine Schäden durch Berührung zwischen dem Schneidgerät und dem Werkstück auf, es braucht keine bestimmte Lichtbogenlänge eingehalten werden und die Anordnung der Elektrode in bezug auf die Düse ist nicht kritisch.
Schnitte mit auf einer Seite annehmbarer Qualität können in praktisch allen Metallen hergestellt werden, wenn man übliche, mit Inertschutzgas und sich nicht verbrauchender Elektrode arbeitende Lichtbogenschweissbrenner mit kleinen Gasdüsenvorzugsweise mit einem Durchmesser von 6,4 mm verwendet und Argon oder ein Gemisch von 35ouzo Wasserstoff und 65% Argon in einer Menge von etwa 1, 41 m'/h verwendet. Da die Schlackenbildung von mehreren Faktoren abhängig ist. kann man nicht immer genau vorhersagen, welche Seite des Schnittes schlackenfrei sein wird. Mit diesem Verfahren erhält man bei pfeifendem oder nichtpfeifendem Lichtbogen Schnitte guter Qualität.
Wie aus der Qualität der in Laboratoriumsversuchen erzielten Schnitte hervorgeht, liegt die Schutzgasmenge anscheinend vorzugsweise ineinem Bereiche von 0, 85 m'/h bis etwa 1, 7 m3/h bei Gasgeschwindigkeiten von 7, 6 m/sec bis etwa 19, 8 m/see,
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