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Verfahren undlVorrichtung zur Herstellung von Schweißnähten bei hoher
Schweißgeschwindigkeit unter Verwendung mehrerer Lichtbögen Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf mehrere Lichtbögen umfassende Schweißsysteme und insbesondere auf
ein Verfahren zur Herstellung von Schweißnähten mit hoher Schweißgeschwindigkeit.
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Im einzelnen bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Herstellung von
Lichtbogenechweißnähten bei wesentlich höheren Schweißgeschwindigkeiten als bisher
unter Verwendung mehrerer, verhältnismäßig kurzer Lichtbögen (max. Länge etwa 3
mm), die in einem möglichst kleinen Abstand voneinander angeordnet sind, ohne daß
dabei das unerwünschte Blasen zwischen einander benachbarten Lichtbögen auftritt.
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In der Schweißtechnik ist man vor allem um mittel und Wege bemüht,
um Lichtbogenschweißnähte bei so groß wie möglichen Schweißgeschwindigkeiten herstellen
zu können. So hat man bereits versucht, durch Vergrößerung der dem W®rkstück zugeführtnn
Wärmemenge
das Arbeiten mit größerer Schweißgeschwindigkeit zu ermöglichen. Dies kann auf einfachem
Wege durch Verstärkung des dem Lichtbogen zugeführten Stromes erreicht werden. Dabei
stellt man allerdings im normalen Betrieb bei einer Verstärkung der Stromzufuhr
auf über etwa 200 - 300 Ampere fest, daß die Intensität des Wärmeüberganges von
der Anode auf das Werkstück in der Nähe der Lichtbogenachse nur noch geringfügig
zunimmt. Statt dessen wird die Wärme auf eine größere Fläche übertragen. Abgesehen
von dem dadurch bedingten verstärkten Pumpen des Lichtbogens bei größeren Stromstärken,
füh-@ ren die größeren Schweißgeschwindigkeiten mit im Vergleich zu den normalerweise
beim Schutzgasschweißen mit einer Wolframelektrode bzw. beim TIG-Schweißen größeren
Stromstärken zu nicht annehmbaren Einbrandkerben in der Schweißnaht. Als Folge dieser
Einbrandkerben bilden sich am Werkstück Stellengeringeren Querschnittes aus. Die
Ursache dieser Erscheinung liegt teilweise im Pumpen des Lichtbogens beim Erhitzen
des Schweißgutes. Es wurde nun gefunden, daß man mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei wesentlich größeren Schweißgeschwindigkeiten
Schweißnähte unter Verwendung mehrerer Lichtbögen herstellen kann, ohne daß dabei
nachteilige Einhrandkerben in Kauf genommen werden müssen. Erfindungsgemäß verwendet
man dabei eine Anzahl von relativ kurzen Lichtbögen mit einer Länge von höchstens
etwa 3 mm.
Zur Herstellung einer Schweißnaht Werden die zu
verschweißenden Metallteile so zueinander angeordnet, daß sich ihre Stoßflächen
berühren. Über der Schweißnaht befinden sich mehrere Elektroden, in einer.Reihe
und im wesentlichen in gleichen Abständen voneinander sowie parallel zueinander
angeordnet, deren untere Enden bei im wesentlichen gleichem Abstand zum Werkstück
so angeordnet sind, daß entsprechende Zwischenräume für die Lichtbögen mit einer
maximalen Begenlänge von etwa 3 mm gebildet werden. Jede einzelne Elektrode ist
elektrisch isoliert. Dabei läßt man im Bereich der Schweißnaht einen vorzugsweise
gemeinsamen Strom eines geeigneten Schutzgases kontinuierlich nach unten über die
unteren Elektrodenenden und auf das Werkstück strömen. In den Zwischenräumen zwischen
den unteren Elektrodenenden und dem Werkstück werden dann die einzelnen Lichtbögen
elektrisch gezündet. Anschließend daran werden sämtliche zu einer Einheit zusammengefaßten
Elektrod-n parallel zur Schweißnaht mit entsprechender Schweißgeschwindigkeit vorgeschoben,
deren Höchstwert im wesentlichen der Anzahl der Elektroden entspricht, und zwar
multipliziert mit der normalerweise bei einem einzigen Lichtbogen zum einbrandkerbenfreien
Durchschweißen der Metallteile an der Schweißnaht erforderlichen Schweißgeschwindigkeit.
Bei der Herstellung von Schweißnähten an Rohren verfährt man umgekehrt, d.h., daß
man letztere mit entsprechender Geschwindigkeit unter den Lichtbögen vorbeiführt.
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Die erfindungsgemäß verwendete Vorrichtung besteht aus mehreren verhältni%mäßig
flachen Blöcken aus el.ektr@isrh leitendem
Metall, wobei jeder einzelne
Block im Zentrum eine senkrechte Bohrung aufweist. Die einzelnen Blöcke sind parallel
zueinander ausgerichtet und elektrisch voneinander isoliert. Seitlich angebrachte
Platten haben die Aufgabe, die Blöcke in dieser Lage festzuhalten. Diese Platten
sind dabei mit Gasdurchströmkanälen sowie einer unterhalb der Blöcke angeordneten
Gasausströmöffnung versehen. Letztere hat die Form eines Längsschlitzes, durch den
man einen gemeinsamen Schutzgasstrom für die Lichtbögen austreten läßt. In den Bohrungen
sitzen die einzelnen Elektroden, deren dem Lichtbogen zugekehrten Enden unterhalb
der Blöcke herausragen und im wesentlichen zentral in den Schlitz für das ausströmende
Gas hineinragen.
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Die Erfindung wird in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
| Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäß |
| bevorzugten Schaltung zur Durchführung des Verfah- |
| rens; |
| Figur 2 einen vergrößerten Teil des Brenners nach Schnitt |
| 2-2 in Figur 4 und unterhalb des Brenners zusätzlich |
| einen Teil des zu schweißenden Werkstückes; |
| Figur 3 einen Teil des Brenners in Seitenansicht und |
| Figur 4 einen Teil des Brenners in Draufsicht.. |
Wie in Figur 1 gezeigt, ist jede einzelne einer Reihe von nicht
abschmelzenden Elektroden 10 über einen eigenen Widerstand 14 mit einer Stromquelle
12 verbunden. Die Elektroden sind von einer Düse 16 umgeben, durch die Schutzgas,
wie z.8. Argon oder Helium oder ein entsprechendes Gasgemisch, die Elektroden umhüllend
geführt werden kann. Die Düse 16 wird vorzugsweise mit Wasser gekühlt. Zwischen
jeder einzelnen Elektrode 10 und dem als gemeinsamer Gegenelektrode wirkenden Werkstück
20 wird ein kurzer Lichtbogen gezündet und aufrechterhalten, indem man die Stromquelle
12 über die Leitungen, 13, 15, 15a und 17 mit dem Werkstück 20 und den Elektroden
10 verbindet. Bei Verwendung von Gleichstrom ist das Werkstück vorzugsweise als
Anode geschaltet. Man kann aber auch mit Gleichstrom bei positiver Elektrodenpolung@und
mit Wechselstrom bzw. einer entsprechenden Kombination aus beiden arbeiten. Hochfrequenter
Wechselstrom und Gleichstrom bei positiver Elektrodenpolung wird bevorzugt zum Schweißen
von Aluminium und Magnesium verwendet, während Gleichstrom bei negativer Elektrodenpolung
zum Schweißen aller übrigen Metalle angewendet wird. Erfindungsgemäß kann man sich
aber auch geeigneter Kombinationen der verschiedenen Stromarten bedienen. Zur Herstellung
der nicht abschmelzenden Elektroden verwendet man material mit gutem elektrischen
Emissionsvermögen, z.8. Wolfram oder Wolfram mit Thoriumzusatz, während die Düse
aus gut wärmeleitendem Material, z.8. Kupfer, besteht. Schließlich kann
jede
Elektrode 10 als eine wassergekühlte Anode ausgebildet werden. Bei Systemen mit
abschmelzender Elektrode entspricht das für die Elektrode gewählte material im allgemeinen
weitgehend dem des Werkstückes.
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Der jeder einzelnen Elektrode vorgeschaltete elektrische Widerstand
14 hat die Aufgabe, das Stabilisieren des Lichtbogens zu ermöglichen und gleichzeitig
eine elektrische Überlastung der einzelnen Elektrode zu verhindern. In dem gleichen
maße wie der Strom in einem der Lichtbögen zunimmt, nimmt auch der Spannungsabfall
am vorgeschalteten Widerstand zu, so daß dadurch eine Verringerung der Lichtbogenspannung
erfolgt. Die Lichtbogenspannung verringert sich also in dem maße, wie der Lichtbegenstrom
zunimmt. In gleicher Weise wird eine Verringerung des Lichtbogenstromes durch einen
Anstieg in der Lichtbogenspannung aufgefangen. Selbstverständlich kann der Lichtbogen
auch auf andere Weise, z.B. mit Hilfe von getrennten Generatoren, stabilisiert werden.
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Im Betrieb sollen die Widerstandswerte so niedrig wie möglich
gehalten werden, um den Stromverbrauch niedrig zu halten. So erwies sich bei 3 bzw.
mehreren Elektroden bei einer jeweiligen Stromstärke von etwa 100 - 200 Ampere ein
Widerstandswert von etwa 0,16 Ohm als ausreichend. Wassergekühlte Rohre aus rostfreiem
Stahl können z.B. als Widerstände dienen.
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Die Lichtbögen können auf verschiedene Art und Weise gezündet
werden.
So kann man z.B. einen Kohlestab zum Zünden der Lichtbögen verwenden. Zweckmäßigerweise
bedient man sich aber der Hochfrequenzentladung. Darüber hinaus ist es zweckmäßig,
wenn man sämtliche Lichtbögen nicht einzeln, sondern gleichzeitig zündet Bei Verwendung
eines in der Schweißtechnik üblichen Hochfrequenzgeneraters unter den oben genannten
Bedingungen hat es sich zum gleichzeitigen Zünden eines Lichtbogens an sämtlichen
Elektroden bei einer Leerlaufspannung von mindestens 40 Volt als zweckdienlich
erwiesen, einen Hochfrequenzgenerator für höchstens 3 Elektroden zu
verwenden. Werden mehrere Hochfrequenzgenerateren verwendet, dann ist es
zweckmäßig, diese einpolig voneinander elektrisch zu isolieren und sie mit dem anderen
Pol an eine gemeinsame Anode zu legen. In Abb. 1 sind beispielsweise die Hochfrequenzgeneratoren
19 und 21 über die Leitungen 15 und 15a mit zwei Elektrodengruppierungen und über
die gemeinsame Leitung 17 mit dem als Anode geschalteten Werkstück 20 verbunden.
Allgemein kann festgestellt werden, daß die Schweißgeschwindigkeit umso größer gewählt
werden kann, ohne daß dabei Einbrandkerben auftreten, je mehr Elektroden
zum Einsatz gelangen. Da aber das Werkstück sich sehr rasch abkühlt, so ist die
Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit nicht mehr nennenswert, wenn der von Mitte Elektrode
zu Mitte Elektrode gemessene Abstand zwischen den einzelnen Elektroden sich auf
mehr als etwa 2,5 cm beläuft. Der zulässige Mindestabstand wird insbesondere durch
die zwischen den einzelnen Lichtbögen auftretenden magnetischen Wechselwirkungen
bestimmt.
Die magnetische Wechselwirkung zwischen den Lichtbögen
ist abhängig von der Anzahl der verwendeten Lichtbögen, dem Lichtbegenstrom, der
Lichtbogenlänge sowie dem jeweiligen Elektrodenabstand. Bei Verwendung normaler
Schweißstromstärken von bis zu 300 Ampere sind also die Anzahl der verwendeten Lichtbögen,
deren Länge sowie der Elektrodenabstand von ausschlaggebender Dedeutung. Bei Verwendung
von zwei Lichtbögen werden diese gegenseitig angezogen, wobei die Lichtbögen bei
kleinen Elektrodenabständen wie ein einziger Lichtbogen wirken, der als von einer
sich zwischen den reellen Kathoden befindenden imaginären Kathode ausgehend zu denken
ist. Die Verwendung von mehr als zwei Lichtbögen hat bei zu großer Lichtbogenlänge
bzw. zu kleinen Elektrodenabständen ein übermäßiges Durchbiegen des in der Bewegungsrichtung
vorn liegenden Lichtbogens nach hinten und ein übermäßiges Durchbiegen des als letzter
folgenden Lichtbogens nach vorn zur Folge. So hat man starke magnetische Wechselwirkungen
bei einer Lichtbogenlänge von etwa 2,4 mm und einem Elektrodenabstand von etwa 6,3
mm festgestellt. Zum gleichen Ergebnis gelangt man bei der Verwendunq von lediglich
zwei Lichtbögen bei einer Lichtbogenlänge von etwa 1,6 mm und einem Elektrodenabstand
von etwa 6,3 bzw. 12,7 mm. Unter solchen Bedingungen ist die Herstellung von gleichmäßigen
Schweißnähten mit Schwierigkeiten verbunden, wobei man außerdem lediglich bei kleinen
Schweißgeschwindigkeiten arbeiten kann.
Dagegen stellt die magnetische
Wechselwirkung bei drei oder mehreren, jeweils 100 Ampere führenden Elektroden keinesfalls
ein Problem dar, wenn die Elektroden bei einer kurzen Lichtbogenlänge von etwa 0,8
- 1,6 mm in einem Abstand von etwa 6,4 mm und bei einer Lichtbogenlänge von etwa
3,2 mm in einem Abstand von etwa 12,7 mm voneinander angeordnet sind.
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Bei Stromstärken zwischen etwa 10 - 100 Ampere/Elektrode und einer
Lichtbogenlänge von höchstens etwa 0,8 mm ist es zweckmäßig, die einzelnen Lichtbögen
in einem Abstand von etwa 3,2 - 9,6 mm anzuordnen.
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Die Länge des Lichtbogens sollte im allgemeinen etwa 3,2 mm nicht
überschreiten, während sich der Abstand zwischen den einzelnen Elektroden auf höchstens
etwa 2,5 cm (gemessen von Mitte Elektrode zu Mitte Elektrode) belaufen sollte. Zur
Erzielung optimaler Schweißbedingungen ist es zweckmäßig, mindestens drei Elektroden
vorzusehen, und zwar bei einem Elektrodenabstand von etwa 6,4 - 25 mm (gemessen
von Mitte Elektrode zu Mitte Elektrode) und einer Lichtbogenlänge von etwa 0,8 -
3,2 mm.
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Die Länge des Lichtbogens wird dadurch ermittelt, daß man den Abstand
der Elektrodenspitze vom Werkstück bei nicht brennendem Lichtbogen mißt.
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Im Betrieb hat es sich zur Herstellung einwandfreier Schweißnähte
als notwendig erwiesen, die Elektroden mindestens über die
gesamte
Länge der Schmelzzone hinweg genau auszurichten und für eine ausreichende Schutzgaszufuhr
zu sorgen. Diesen Erfordernissen wird die in den Figuren 2 - 4 gezeigte Vorrichtung
gerecht. Wie in den Figuren 2 - 4 gezeigt, sitzt in den im Brennergehäuse T vorgesehenen,
mit Abstand voneinander angeordneten Parallelbohrungen 29 eine Anzahl von untereinander
genau ausgerichteten Stabelektroden 10, die mit Hilfe der Stellschrauben 22 in ihrer
Lage festgehalten Werden. Die Gasdüse 16 besteht aus den Teilen 23 und 24, die ihrerseits
durch die mit mehreren (4) Stellschrauben 27 versehenen Seitenplatten 25 und 26
festgehalten werden. Die seitlich angebrachten Platten 25 und 26 sind an dem Brennergehäuse
T durch mehrere (4) Schrauben 28 befestigt.
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Das Brennergehäuse T besteht aus einer Anzahl von kupfernen Elektrodenhaltern
30, die als verhältnismäßig flache Blöcke bzw. Platten ausgeführt sind und jeweils
eine der bereits genannten Bohrungen 29 aufweisen. Die aus Kupfer bestehenden Elektrodenhalter
30 sind durch elektrische Isolatoren 31 in Form dicker Platten voneinander getrennt.
Das aus mehreren Teilen bestehende Brennergehäuse wird mit Hilfe eines Zugschraubenpaares
32, deren verdickte Enden mit 0-förmigen Ringen in Eingriff stehen, die ihrerseits
in den in der Abschlußwand 34 ausgesparten Öffnungen 33 vorgesehen sind, in Längsrichtung
zusammengehalten. Den Elektrodenhaltern 30 wird durch die Rohrleitung 35 elektrischer
Strom zugeführt. Durch die Rohrleitung 35 wird dem Brennergehäuse
auch
das zu seiner Kühlung erforderliche Kühlwasser zugeführt. Das Kühlwasser tritt dabei
durch die Rohrleitung in das Grennergehäuse ein und wird darin durch den aus der-Zugschraube
32 und der Behrung 37a gebildeten Ringkanal 39 an eirer Seite des Gehäuses entlang
geführt. Anschließend strömt es durch die Leitung-38 zur anderen Drennerseite und
dort durch den aus der Zugschraube 32 und der Bohrung 37b gebildeten Ringkanal 36.
Von hier fließt das Kühlwasser durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte und
mit den dazugehörigen Verschraubungen 46 und 44 verbundene Schlauchleitung zur Leitung
43. Von der Leitung 43 strömt das Kühlwasser über die Leitung 45 zur Leitung 48,
so daß die Düse 16 wirkbam gekühlt wird.
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Das Wasser tritt schließlich bei 42 Wieder aus dem Brenner aus. mit
Hilfe der Verschraubung 41 kann man den Kühlwasserstrom je nach Wunsch umkehren
oder verändern. Die Ausströrnöffnung: der GWsdüse wird über ihren gesamten Querschnitt
hinweg mit Hilfe eines Gases in ausreichendem maße abgeschirmt. Dadurch wird auch
das Schweißmetall gegenüber der Atmosphäre abgeschirmt. Das Schutzgas wird durch
mehrere (2) in den seitlich angebrachten Platten 25 und 26 vorgesehene Einströmöffnungen
in den Brenner eingeführt, strömt dann durch die oberen Längskanäle 48 und 49 und
durch zwei senkrecht angeordnete Kanäle 51 in die unteren Längskanäle 50. Nach Durchströmen
der bogenförmig angeordneten Kanäle 52 tritt das Schutzgas schließlich durch den
gemeinsamen Ausströrnsrfilitz 55 wieder aus dem Hrenner atis. Das Schutzgas wird
dahei mit Hilfe der an den
Finströmöffnungen des jeweiligen Bogenkanals
52 vorgesehenen Lochplatte 53 und des Siebes 54 gleichmäßig über den Brenner verteilt.
Zur gleichmäßigen Verteilung des Schutzgases über die gesamte Länge des Brenners
hinweg sind die Kanäle 50 in Richtr_rricj zum Brennerzentrum verjüngt.
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Das z.B. aus einem Rohr bestehende Werkstück 20 wird währeril de:
Schweißvorganges mit Hilfe von geeigneten Walzen 56, von denFn ein Teil durch den
Motor 57 angetrieben wird, in Längsrichtung unter dem Brenner T vorbeigeführt. Der
Brenner kann aber auch gegebenenfalls über dem Werkstück und in Richtung der herzustellenden
Schweißnaht mit Hilfe eines in der Zeichnung nicht dargestellten Motors auf einer
Führungsschiene verschoben werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird in dem nachfolgenden Beispiel
näher erläutert. Dabei wird die in den Figuren 2 - 4 beschriebene Vorrichtung verwendet.
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Blechschweißung (Bead-on-Plate) Zum Legen einer Schweißnaht auf Plechen
aus rostfreiem Stahl ("16 ga stainless steel" etwa 1,3 mm stark, 75 mm breit, 450
mm lang) wurden vier 3,2 mm starke Kathoden verwendet, die in einem Abstand
von 6,4 mm voneinander angeordnet waren. Die Elektredenenden ururden stumpf. zugespitzt,
und zwar auf einen Durchmesser von 0,5 mm. Der Abstand der ElektrcdenspitzQ von
dem Werkstück helief sich auf 0,8 mm. Zum zünden der 1. ic@l@t
bögen
dienten zwei Hochfrequenzgeneratoren bei einer Leerlaufspannung von 39 Volt. Jede
einzelne Elektrode war mit einem Widerstand in Reihe geschaltet, wobei als Widerstand
eine wassergekühlte Rohrschlange aus rostfreiem Stahl mit einem Widerstandswert
von 0,16 Ohm verwendet wurde. Den Elektroden wurde insgesamt Strom in einer Stärke
von 630 Ampere zugeführt, wobei der einen Elektrode 162 Ampere und den übrigen drei
Elektroden jeweils 156 Ampere zugeführt wurden. Die Spannung der einzelnen Lichtbögen
betrug jeweils 10, 8, 9 und nochmals 9 Volt. Argon als Schutzgas wurde in einer
menge von etwa 70 1/min. nach unten um die Elektroden herumgeführt. Bei einer Schweißgeschwindigkeit
von etwa 3m/min. wurden einwandfrei durchgeschweißte und von Einbrandkerben freie
Nähte erhalten. Im Vergleich zu der bei Verwendung einer einzigen Elektrode bei
gleichen Bedingungen möglichen Schweißgeschwindigkeit war die Schweißgeschwindigkeit
in dem vorliegenden Beispiel ungefähr viermal so hoch. Die folgenden Beispiele dienen
zur Erläuterung der S.I.G.m.A.-Schweißung sowie der Argonarc-Wechselstromschweißung
unter Vorwendunq von Zusatzdraht und nicht abschmelzenden Elektroden. Stumpfschweißung
mit Wechselstrom
Zur Herstellung einer Stumpfschweißung zwischen zwei etwa
3,2 mm starken Aluminiumblechen wurden zwei 3,2 mm starke
Wolframelektroden
mit 2 % Thoriumgehalt verwendet, die in einem Abstand von 6,4 mm voneinander angeordnet
waren. Die Stromlaufschaltung entsprach Figur 1, mit der Ausnahme, daß lediglich
ein Hochfrequenzgenerator sowie eine Wechselstromquelle (etwa 75 U-Leerlaufspannung)
anstelle der Gleichstromquelle verwendet wurden. Die Lichtbogenlänge betrug etwa
0,8 mm. Bei einer Schweißgeschwindigkeit von etwa 76 cm/min. und einer Stromstärke
von 270 Ampere wurden einwandfreie Schweißungen erzielt, die keine Einbrandkerben
aufwiesen. S.I.G.m.A.-Schweißunq (kurzer Lichtbo en Ein Auftrag-Schweißversuch
wurde mit Hilfe von drei abschmelzenden Drähten der Type Oxweld 65 als Elektroden
durchgeführt. Der Versuch wurde an unlegierten Stahlblechen unternommen. Die Lichtbögen
waren in einem Abstand von etwa 12,7 mm bei einer Länge von etwa 0,8 mm angeordnet.
Der Zusatzdraht wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 6,1 - 7,6 m/min. zugeführt.
Bei einer Gesamtstromstärke von 240 Ampere und bei 27 U wurde das Zusatzmaterial
bei geringfügiger Aufmischung und ausgezeichnetem Einbrand niedergeschmolzen.. Schweißen
mit nichtabschmelzender Elektrode und Zusatzdraht Stumpfschweißungen wurden
an etwa 3,2 mm starken Blechen aus rostfreiem Stahl durchgeführt, und zwar unter
Verwendung von sechs nicht abschmelzenden Wnlframelektroden mit 2 `9 Thoriumgehalt
und
zwei etwa 0,8 mm starken Zusatzdrähten der Type Oxweld 310. Die Drähte befanden
sich dabei jeweils zwischen der dritten und vierten bzw. der vierten und fünften
Elektrode, wobei die einzelnen Elektroden in einem Abstand von etwa 6,4 mm voneinander
angeordnet waren. Die Lichtbegenlänge betrug bei den nicht abschmelzenden Elektroden
etwa 1,6 mm. Die Drähte wurden durch Jeule'sche Wärme (i2 R) zum Schmelzen gebracht.
Die Stromstärke betrug insgesamt 1100 Ampere. Bei einer Schweißgeschwindigkeit von
etwa 2 m/min. und einer Zufuhrgeschwindigkeit des Zusatzdrahtes von etwa 8,5 m/Min.
wurden einwandfreie Stumpfschweißungen erhalten.