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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenfügen, insbesondere
zum Lichtbogenschweißen, wobei ein Lichtbogen zwischen
Werkstück und abschmelzender Elektrode an einer Bearbeitungsstelle
brennt, wobei zur Lichtbogenerzeugung ein Wechselstrom mit mindestens
einer positiven und mindestens einer negativen Wechselstromphase
zwischen Elektrode und Werkstück angelegt wird, wobei sich
die positive Wechselstromphase in mindestens eine positive Impulsstromphase
und in mindestens eine positive Grundstromphase gliedert, und wobei
der Lichtbogen zumindest zeitweise mit mindesten einem externen
Magnetfeld beeinflusst wird.
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Zum
Lichtbogenschweißen unter Schutzgas, dem Metall-Schutzgas-Schweißen
(MSG-Schweißen) werden verschiedene Schweißverfahren
eingesetzt. Neben dem Verfahren mit abschmelzender Elektrode, zu
welcher das Metall-Aktiv-Gas- und das Metall-Inert-Gas-Schweißen
zählen, gibt es das mit nicht abschmelzender Elektrode
arbeitende Wolfram-Inert-Gas-Schweißen und das Plasmaschweißen.
Beim Metall-Schutzgas-Löten (MSG-Löten) wird eine
stoffschlüssige Verbindung durch den Zusatzwerkstoff hergestellt.
Dazu wird der Zusatzwerkstoff im Lichtbogen aufgeschmolzen und verbindet
sich mit dem Grundwerkstoff.
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Beim
Lichtbogenfügen mit abschmelzender Elektrode brennt ein
Lichtbogen zwischen abschmelzender Elektrode und Werkstück.
Zur Erzeugung des Lichtbogens wird ein elektrisches Feld zwischen Elektrode
und Werkstück angelegt. Der Materialübergang von
der abschmelzenden Elektrode zum Werkstück erfolgt durch
Ablösung von Tropfen von der Elektrode. Neben dem Schweißen
mit nicht pulsierendem Gleichstrom gibt es auch das Schweißen
mit pulsierendem Gleichstrom, bei welchem der Schweißstrom
zumindest eine Impulsstromphase und eine Grundstromphase, in der
der Strom deutlich niedriger ist als in der Impulsstromphase, aufweist. Ferner
gibt es auch ein Schweißen mit Wechselstrom, bei welchem
die Polarität wechselt. Auch beim Wechselstromschweißen
weist die positive Phase häufig zumindest eine Impulsstromphase
mit hohem Strom und eine Grundstromphase mit niedrigem Strom auf.
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Das
Metall-Schutzgas-Schweißen mit Wechselstrom wird seit mehreren
Jahren angewandt und verschiedene Druckschriften betreffen diesen
Prozess. So beinhaltet in
DE
4023155 eine Synchronisation von Drahtzufuhr und negativer
Polung des Wechselstroms. In der
DE
19906039 wiederum wird ein maximaler Strompegel für
die positive Phase festgesetzt. Die
EP
0890407 beinhaltet eine Vorgehensweise zur Verringerung
der Abfallzeit beim Abfall des positiven Schweißstroms.
Die
US 6376802 beinhaltet ein
Verfahren, welches ein Unterbrechen des Lichtbogens verhindert.
Die
EP 1491278 offenbart
die Verwendung von Helium und von dotiertem Helium im Schutzgas
beim Wechselstromschweißen.
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Neben
dem Schweißen mit abschmelzender Elektrode wird seit einigen
Jahren auch das Metall-Schutzgas-Löten mit abschmelzender
Elektrode praktiziert. Hier wird eine Drahtelektrode mit niedrigem
Schmelzpunkt verwendet. Das Ziel ist eine Lötverbindung
mit möglichst keiner oder nur geringer Aufschmelzung des
Grundwerkstoffes. Neueste Entwicklungen versuchen auch eine Kombination
beider Prozesse, z. B. Verbinden von Aluminiumwerkstoffen mit beschichteten
Stahlblechen, wobei zur einen Werkstoffseite hin ein Lötprozess
vorherrscht, und zur anderen ein Schweißprozess. All diese
Prozesse werden mit Gleichstrom, mit Impulsstrom oder mit Wechselstrom
durchgeführt. Beispiele dafür finden sich in der
EP 1129808 oder in der
EP 1491278 oder in der
EP 1321218 beschrieben.
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Unter
dem Begriff Lichtbogenfügen werden die Verfahren, die mit
Lichtbogen arbeiten, zusammengefasst, also sowohl das Verbindungsschweißen und
das Verbindungslöten als auch das Auftragsschweißen
und das Auftragstöten.
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Weiterhin
ist es bekannt, dass der Lichtbogen beim Schweißen mittels
externer longitudinaler oder transversaler Magnetfelder in seiner
Beschaffenheit und in seiner Lage beeinflusst werden kann. Eine
Beeinflussung des Lichtbogenschweißens ist beispielsweise
in „Beitrag zur Lichtbogensteuerung durch transversale
Zusatzmagnetfelder bei mechanisierten Lichtbogenschweißverfahren"
von U. Dilthey, Dissertation, RWTH Aachen (technische Hochschule,
Aachen), 1972 beschrieben oder in „Beeinflussung
der Metall-Schutzgasschweißung durch Magnetfelder" von
H. B. Basler, Dissertation, TU Hannover (Technische Universität,
Hannover), 1973. Auch im Rahmen eines AIF Vorhaben wurde
der Einfluss von externen Magnetfeldern untersucht, wie die Veröffentlichung "MAGM-Hochleistungsschweißen
mit Massiv- und Fülldrähten", AIF Vorhaben; Abschlußbericht
AIF 103 68N; Datum des Berichts: 28.05.1998, Institut für
Schweißtechnische Fertigungsverfahren der Rheinisch-Westfälischen
Technischen Hochschule Aachen, Ulrich Dilthey, P. Warmuth, Techn.
Hochsch., ISF, Aachen, 1998 zeigt.
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Wird
mittels Schweißen oder Löten eine stoffschlüssige
Verbindung hergestellt, spricht man auch vom Verbindungsschweißen
oder Verbindungstöten. Beim Verbindungsschweißen/-löten
muss oftmals in der Wurzellage ein Spalt überbrückt
werden. An der Bearbeitungsstelle schmilzt der Grundwerkstoff das
durch die abschmelzende Elektrode bereitgestellte Zusatzmaterial
auf beziehungsweise an. Der Grundwerkstoff schmilzt insbesondere
an den Kanten des Spalts auf. Damit eine Verbindung gebildet wird,
darf die Schweiß- beziehungsweise Lotnaht nicht durchfallen,
sondern aus dem Schweißbad muss eine verbindende Schweißnaht
entstehen. Das Problem des Durchfallens der Naht tritt insbesondere beim
Schweißen und Löten von Wurzellagen auf, da in
der Wurzellage noch keine Lage vorhanden ist, welche eine gewissen
Halt auf das flüssige Material an der Bearbeitungsstelle
ausüben kann. Bei allen auf die Wurzellage folgenden Lagen
stabilisiert die bereits vorliegende Schweißnaht die nun
aufzubringende Lage. Diese Stabilisierung kann jedoch unter Umständen
zu gering sein, so dass es auch beim Anbringen von weiteren Lagen
zu einem Durchfallen der Naht kommen kann. Aber auch beim Verbinden
von dünnen Blechen, insbesondere bei Einseitenschweißverbindungen
sowie bei allen Schweißaufgaben, bei welchen es gilt einen
Spalt zu überbrücken, zeigen sich die mit Durchfallen
der Naht verbundenen Probleme. Besonders ausgeprägt ist
diese Problematik bei hohen Abschmelzleistungen.
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Beim
Auftragsschweißen oder Auftragslöten wird hingegen
Material auf ein Werkstück aufgebracht. Das Verfahren wird
beispielsweise benützt, um verschlissene Bauteile zu reparieren,
um verschleißfeste oder/und korrosionsbeständige
Rand- oder Oberflächenschichten aufzubringen und um zu Plattieren
und Panzern. Das Material wird durch Schweißen aufgebracht,
wobei eine oder mehrere Lagen aufgetragen werden. Beim Auftragsschweißen
und Auftragsloten wird eine geringe Aufmischung gewünscht,
damit eine Entstehung von intermetallischen Phasen so weit wie möglich
unterbunden wird. Beim Auftragslöten ist die Aufmischung deutlich
geringer als beim Auftragsschweißen, jedoch ist auch hier
eine Verbesserung wünschenswert. Beim Auftragsschweißen
und Auftragslöten sind zahlreiche der auftretenden Probleme,
welche sich mit zunehmender Abschmelzleistung verstärken,
auf die stattfindende Aufmischung zurückzuführen.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Lichtbogenfügen mit abschmelzender Elektrode und Wechselstrom
anzugeben, welches das Schweißen verbessert, die Einsatzmöglichkeiten
verbreitert und auch hohe Abschmelzleistungen ermöglicht.
Insbesondere sollen mit dem anzugebenden Verfahren die vorgenannten Probleme
sowohl beim Fügen, also sowohl beim Verbindungsschweißen
und Verbindungslöten als auch beim Auftragsschweißen
und Auftragslöten vermindert werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass der Lichtbogen durch ein oder mehrere externe Magnetfelder
während der positiven Impulsstromphase zumindest während
jeder fünften, bevorzugt während jeder zweiten,
besonders bevorzugt während jeder positiven Impulsstromphase
zumindest zeitweise aus dem Zentrum der Bearbeitungsstelle gelenkt
wird. Durch das Auslenken des Lichtbogens aus dem Zentrum der Bearbeitungsstelle
wird erreicht, dass der Lichtbogen in der positiven Impulsstromphase,
in welcher der höchste Strom anliegt, zumindest teilweise,
vorzugsweise während der gesamten Zeit der positiven Impulsstromphase,
nicht im Spalt oder an der Auftragsstelle brennt. Da der Lichtbogen
mit steigendem Stromwert einen steigenden Lichtbogendruck aufweist,
bewirkt die Auslenkung des Lichtbogens beim Lichtbogenschweißen,
dass der hohe Lichtbogendruck nicht zentral in die Bearbeitungsstelle
einwirkt, sondern an eine daneben liegende Stelle. An dieser Stelle
ist der Grundwerkstoff nicht flüssig, sondern fest oder
aufgrund der Wärmeeinwirkung erweicht. Deshalb kann das
Werkstück an dieser Stelle dem hohen Lichtbogendruck besser standhalten.
Beim Lichtbogenlöten ist es ebenfalls von Vorteil, wenn
der hohe Lichtbogendruck nicht im Zentrum der Bearbeitungsstelle
wirkt.
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Wirkt
der hohe Lichtbogendruck hingegen zentral in die Bearbeitungsstelle
treten die oben beschriebenen Probleme auf. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird somit das Durchfallen der Schweißnaht beziehungsweise
der Lötnaht vermindert und sogar verhindert. Beim Auftragschweißen wiederum
wird die Aufmischung optimiert.
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Vorteilhafterweise
wird der Lichtbogen während einer positiven Impulsstromphase
in eine erste Richtung und während einer nächsten
positiven Impulsstromphase in eine zweite, von der ersten Richtung
abweichende Richtung abgelenkt. Dadurch wird eine Einseitigkeit,
die zu einer unsymmetrischen Bearbeitung führen kann, vermieden.
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Weiterhin
ist es von besonderem Vorteil, dass sich erste und zweite Richtung
immer abwechseln und sich gegenüberliegen.
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Insbesondere
ist es von Vorteil, dass sich erste und zweite Richtung gegenüberliegen.
Eine derartige Ablenkung lässt sich mit wenig Aufwand realisieren
und führt zu einer symmetrischen Bearbeitung ohne Verzerrung
der Bearbeitungsrichtung.
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Vorteilhafterweise
wird ein transversales Magnetfeld angelegt. Durch ein Anlegen eines
transversalen Magnetfelds wird die in der Erfindung geforderte Auslenkung
besonders vorteilhaft erreicht und die erfindungsgemäßen
Vorteile stellen sich in besondere Weise ein.
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Besonders
ausgeprägt zeigen sich die Vorteile der Erfindung, wenn
Abschmelzraten von 6 bis 15 kg/h, vorzugsweise von 8 bis 11 kg/h
verwendet werden. Bei hohen Abschmelzleistungen sind besonders hohe
positive Impulsstromwerte notwendig, so dass bei hohen Abschmelzraten
der Lichtbogendruck während der positiven Impulsstromphase
besonders hoch ist. Eine Ablenkung des Lichtbogens ist folglich besonders
vorteilhaft.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung soll im Werkstück
ein Spalt, der durch zwei Kanten gebildet wird, überbrückt
werden. Beim Verbindungsschweißen zeigen sich die erfindungsgemäßen
Vorteile in besonderer Weise. Durch das erfindungsgemäße
Wegnehmen des hohen Lichtbogendrucks wird ein Durchfallen der Naht
vermieden. Beim Auftragsschweißen und Auftragslöten
zeigt das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls
Vorteile, da hier die Aufmischung vorteilhaft beeinflusst werden kann.
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Von
besonderem Vorteil wird dabei der Lichtbogen immer abwechselnd in
Richtung der einen und der anderen Kante ausgelenkt. Somit brennt
der abgelenkte Lichtbogen in der Flanke der Schweißnaht. Die
Flanke oder Kante hält dem hohen Lichtbogendruck stand,
so dass sich die erfindungsgemäßen Vorteile einstellen.
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Die
Erfindung zeigt besondere Vorteile beim Metall-Schutzgas-Schweißen
und Metall-Schutzgas-Löten von Wurzellagen oder Einseitenverbindungen,
insbesondere bei Einseitenverbindungen an dünnen Blechen.
Derartige Verbindungen sind besonders anfällig für
ein teilweises oder vollständiges Durchfallen der Schweißnaht,
welchem das erfindungsgemäße Verfahren entgegen
wirkt.
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Mit
Vorteil werden als Schutzgas Gase oder Gasgemische verwendet werden,
die zumindest Argon, Helium, Kohlendioxid, Sauerstoff und/oder Stickstoff
enthalten. Die Festlegung des geeigneten Gases beziehungsweise der
geeigneten Gasmischung erfolgt in Abhängigkeit von der
Schweißaufgabe, insbesondere unter Berücksichtigung
von Grund- und Zusatzwerkstoff. Es kommen sowohl die Reingase als
auch Zwei-, Drei- und Mehr-Komponenten-Gemische zum Einsatz. In
vielen Fällen erweisen sich auch dotierte Gasmischungen
als besonders vorteilhaft, wobei dotierte Gasmischungen Dotierungen
mit aktiven Gasen im vpm-Bereich aufweisen, d. h. die Dotierung
erfolgt im Bereich von weniger als einem Prozent, meist weniger
als 0,1 Vol.-%. Als Dotiergas werden aktive Gase, wie beispielsweise
Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoffmonoxid, Lachgas (Distickstoffmonoxid)
oder Stickstoff verwendet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere,
wenn Werkstücke aus Stählen oder/und aus Aluminium/Aluminiumlegierungen
bearbeitet werden. So eignet es sich insbesondere für alle
Stahlsorten inklusive Baustählen, Feinkornbaustählen
und nichtrostende Stählen. Weiterhin eignet es sich auch
für Nickelbasiswerkstoffe. Ebenso ist eine Anwendung für
andere Nichteisenmetalle wie beispielsweise Magnesium/Magnesiumlegierungen möglich.
Weiterhin werden durch das erfindungsgemäße Verfahren
die Möglichkeiten zur Herstellung von Mischverbindungen
erweitert.
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Anhand
von 1 und 2 soll nun die Auslenkung des
Lichtbogens beim Verbindungsschweißen oder Verbindungsloten
näher erläutert werden. Darstellungen und Dimensionen
in 1 sind beispielhaft. In 1 ist ein
Schweißbrenner 1 mit einer abschmelzenden Elektrode 2 dargestellt. Ferner
zeigt 1 ein Werkstück, in welchem einen Spalt überbrückt
werden und eine Verbindung hergestellt werden sollen. Der Spalt
teilt das Werkstück in eine rechte Seite 3 und
eine linke Seite 4. 1 zeigt anstelle
des Lichtbogens eine schematische Linie, die im Zentrum des Lichtbogens
liegt und somit die Richtung zeigt, in welcher der Lichtbogen brennt. Ohne
Auslenkung, d. h. ohne Anliegen eines externen Magnetfelds, brennt
der Lichtbogen gerade zum Werkstück hin. Die Richtung des
Lichtbogens folgt also der Linie 5. Gemäß der
Erfindung wird der Lichtbogen durch ein externes Magnetfeld nun
während einer ersten positiven Impulsstromphase aus dem Zentrum
des Schweißbades auf die rechte Seite 3 ausgelenkt.
Der Lichtbogen brennt nun in Richtung der rechten Kante, also in
der Flanke der Schweißnaht. Der Lichtbogen zeigt nun in
Richtung 6. In der nächsten positiven Impulsstromphase
wird der Lichtbogen durch ein externes Magnetfeld zur linken Seite 4 hin
ausgelenkt und brennt in Richtung der linken Seite. Die Richtung
des Lichtbogens folgt somit Linie 7. Eine Auslenkung des
Lichtbogens mittels eine magnetischen Feldes erfolgt nur für
maximal die Dauer der positiven Impulsstromphase; ansonsten brennt der
Lichtbogen gerade in Richtung des Werkstücks, wie es mit
Hilfe von Linie 5 gezeigt wird.
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Beim
Auftragschweißen und Auftragslöten erfolgt die
Auslenkung auf die gleiche Weise, jedoch weist das Werkstück
keinen Spalt auf, so dass anstelle des Spalts die Schweißlinie
zu setzen ist und die Auslenkung von der Schweißlinie weg
erfolgt.
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Mit
Hilfe von 2 soll nun die positive Impulsstromphase,
in welcher die Ablenkung mittels eines externen Magnetfelds erfolgt,
näher beschrieben werden. Dazu zeigt 2 eine
Stromform, welche beispielsweise für das erfindungsgemäße
Verfahren verwendet werden kann. Die Stromform gemäß 2 weist
positive und negative Stromwerte auf. Die positiven Stromwerte liegen
während der positiven Phase an. Die positive Phase gliedert
sich dabei in eine positive Impulsstromsphase, in welcher ein hohen
positiver Strom, der sogenannte Impulsstrom anliegt, und in eine
positive Grundstromphase, in welcher ein niedriger positiver Strom
anliegt. Die Auslenkung erfolgt in der positiven Impulsstromphase.
Wird der Lichtbogen nun in der ersten der dargestellten positiven
Impulsstromphase beispielsweise nach rechts ausgelenkt, so wird
er in der nächsten positiven Impulsstromphase nach links
ausgelenkt und der übernächsten positiven Impulsstromphase wieder
nach rechts und in der darauf folgenden wieder nach links und immer
so weiter. Dazu ist es nicht notwendig, dass die Stromform der angegeben
folgt; so kann sich beispielsweise die positive Impulsstromphase
aus mehreren Impulsstromwerten zusammensetzen, ebenso gilt dies
für die positive Grundstromphase oder die negative Phase.
Auch sind Schultern in den Flanken möglich, wobei in 2 die
Flanken als ideale Flanke dargestellt sind, während in
der Realität die Flanken eine gewisse Steigung aufweisen. Weiterhin
können auch die Reihenfolgen, in welcher die Phasen aufeinander
folgen, anders als dargestellt sein und beispielsweise eine weitere
positive Grundstromphase eingeschoben sein. Entscheidend für
die Erfindung ist lediglich, dass der Lichtbogen zumindest zeitweise,
vorteilhafterweise jedoch die gesamte Zeit ausgelenkt wird, in der
der hohe positive Impulsstrom anliegt. Auch ist es möglich
den Lichtbogen nicht in jeder positiven Impulsstromphase auszulenken,
sondern auch positive Impulsstromphase
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- 1
- Schweißbrenner
- 2
- abschmelzende
Elektrode
- 3
- rechter
Teil des Werkstücks
- 4
- linker
Teil der Werkstücks
- 5
- gedachte
Linie im Zentrum des nicht abgelenkten Lichtbogens
- 6
- gedachte
Linie im Zentrum des nach rechts abgelenkten Lichtbogens
- 7
- gedachte
Linie im Zentrum des nach links abgelenkten Lichtbogens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
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erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4023155 [0004]
- - DE 19906039 [0004]
- - EP 0890407 [0004]
- - US 6376802 [0004]
- - EP 1491278 [0004, 0005]
- - EP 1129808 [0005]
- - EP 1321218 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Beitrag
zur Lichtbogensteuerung durch transversale Zusatzmagnetfelder bei
mechanisierten Lichtbogenschweißverfahren" von U. Dilthey,
Dissertation, RWTH Aachen (technische Hochschule, Aachen), 1972 [0007]
- - „Beeinflussung der Metall-Schutzgasschweißung
durch Magnetfelder" von H. B. Basler, Dissertation, TU Hannover
(Technische Universität, Hannover), 1973 [0007]
- - "MAGM-Hochleistungsschweißen mit Massiv- und Fülldrähten",
AIF Vorhaben; Abschlußbericht AIF 103 68N; Datum des Berichts:
28.05.1998, Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen,
Ulrich Dilthey, P. Warmuth, Techn. Hochsch., ISF, Aachen, 1998 [0007]