DE2158958A1

DE2158958A1 - Beschichtete Lichtbogenschweißelektrode mit verbesserter Antttihygroskopizität

Info

Publication number: DE2158958A1
Application number: DE19712158958
Authority: DE
Inventors: Shinji Fujisawa; Ichihara Izumi; Kawase Tsuyoshi; Kamakura; Kimura (Japan). P
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1970-12-29
Filing date: 1971-11-27
Publication date: 1972-07-13
Also published as: FR2120746A5; GB1355542A; US3783020A; JPS4834485B1; DE2158958B2

Description

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Beschichtete Lichtbogenschweißelektrode mit verbesserter

Antihygroskopizität

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtbogenschweißelektrode mit verbesserten antihygroskopischen Eigenschaften und ein Verfahren zur Herstellung dieser Elektrode und betrifft spezieller eine antihygroskopische Lichtbo.genschweiß elektrode, die als Bindemittel in dem Beschichtungs- oder Überzugsmpterial Glaspulver mit niedrigerem Erweichungspunkt enthält, wodurch dieser 'üilektrode eine langanhaltende Antihygroskopizitat verliehen wird.

Es ist bekannt, daß die Gegenwart von Wasserstoff in. oder um die Schweißzone auf die Qualität der abgelagerten Metalle verschiedenartige nachteilige Wirkungen zeigt. So sind die Gasporen in den abgelagerten Metallen und Risse in der unter Hitzeeinwirkung stehenden Zone hauptsächlich auf das Vorliegen von überschüssigem Wasserstoff in oder um die Schweißzone zurückzuführen. Besonders in dem letztgenannten lall wird die Qualität der abgelagerten Metalle in hohem Grad verschlechtert, wodurch schwerwiegende Probleme im Hinblick auf die Fehlerlosigkeit der Schweißung Zustandekommen.

⁷Js wurden bereits während des Hersteilens dieser Lichtbogen-Schweißelektroden zahlreiche Versuche unternommen, um die Möglichkeit auszuschalten, daß Wasser oder Feuchtigkeit in die ijchwei^zone eindringt, weil Wasser oder Feuchtigkeit hauptsächlich für diese Einführung von Wasserstoff

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verantwortlich ist. Zusätzlich ^u den beschriebenen Maßnahmen ist es offensichtlich erforderlich, die Absorption von V/asser oder Feuchtigkeit durch die elektroden möglichst gering zu halten, nachdem diese hergestellt wurden.

Um diese Anforderungen an die Qualität wahrend des Herstellens und an das Aufrechterhalten der Qualität nach der. Herstellung zu erfüllen, müssen zwei Hauptprobleme gelost werden, Eines dieser rrobleme ist; die Hygroskopizität von Wasserglas, das im allgemeinen als Bindemittel für das Überzugsmaterial verwendet wird, und die Feuchtigkeitsabsorption nach dem Verpacken dieser Elektroden.

Wasserglas, das ausnahmslos als Bindemittel zum Herstellen der Überzugsmaterialien für die Elektroden verwendet wurde, hatte zunächst lange Zeit große Beliebtheit als Bindemittel zum Herstellen von Lichtbogensehweißelektroden, weil es einen niederen Preis hat und Festigkeit nach dem Trocknen und einfache Handhabung aufweist. Dieses Wasserglas ist jedoch völlig unvereinbar mit dem Erfordernis, die Absorption von Wasser oder Feuchtigkeit und infolgedessen Wasserstoff gering zu halten. Anders ausgedrückt, enthält 'Wasserglas inhärent Wasse^ und dieses Wasser kann nicht während des TrοcknungsVorgangs bei der Herstellung durch Dehydratisieren entfernt werden. Die Verhältnisse werden noch dadurch verschlechtert, daß aus dem Wasserglas durch Trocknen entferntes Wasser während der Dauer des Lagerns der Elektroden erneut absorbiert und als strukturell gebundenes iasser in dem Überzugsmaterial zurückgehalten wird (diese Wirkung wird allgemein als Hygroskopizität bezeichnet). Die zum Herstellen der konventionellen lichtbogenschweißelektroden, bei denen die Wasserstoffabsorption kein schwerwiegendes Irobleii darstellt, angewendete Trockentemperatur liegt im Bereich von 100° G bis 200 G. Wenn andererseits die Anwesenheit von Wasserstoff kritisch ist, wie bei der Herstellung einer sogenannten Schweißelektrode mit niederem Wasserstoffgehalt (low hydrogen welding electrode), sollte die Trocknungstemperatur 400 G betragen.

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BAD ORIGINAL

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Diese Trockenteinperaturen sind jedoch nicht, ausreichend, um in dem Yfasserglas vorliegendes Wasser oder Feuchtigkeit durch Dehydratisieren zu entfernen und können den gebildeten Elektroden keine ausreichenden antihygroskopischen Eigenschaften verleihen.

Es ist bekannt, daß durch Anwendung der höheren Temperatur die Antihygroskopizität in hohem Maß verbessert wird. Wenn jedoch eine solche höhere Temperatur von etwa 400 bis 630° C angewendet wird, so unterliegen die spezifischen Bestandteile der Überzugsmaterialien der Zersetzung oder Oxydation.

Ferner sind die beim Lagern oder Aufbewahren auftretenden Schwierigkeiten nach der Fertigung der Elektroden von gleicher V/ichtigkeit. Zu diesem Zweck wurde eine luftdichte Verpackung angewendet und in Verbindung damit die Tatsache in Betracht gezogen, daß die Elektroden nach Verlauf einer gewissen Zeit erneut getrocknet werden sollten. Damit sind jedoch komplizierte Vorgänge bei der Handhabung von Elektroden verbunden.

Durch die Erfindung werden diese Nachteile vermieden, indem als Bindemittel in den Überzugsmaterialien für die Elektroden Glaspulver vorliegt und Bestandteile verwendet werden, die mit einer hohen Trocknungstemperatur von 400° G bis 630° C vereinbar sind.

Die obengenannten Schwierigkeiten oder Nachteile werden durch die Erfindung vermieden.

Dies ist erfindungsgemäß durch eine beschichtete Lichtbogenschweißelektrode mit verbesserter Antihygroskopizität möglich, die als Bindemittel in dem Überzugsmaterial Glaspulver mit einem niederen Erweichungspunkt im Bereich von 350 bis 550° C enthält.

Die erfindungsgemäße Elektrode weist ein Beschichtungsmaterial auf, das in dem angegebenen hohen Temperaturbereich beständig ist, so daß das Glaspulver schmelzen kann und die Teilchen des Überzugsmaterials mit einem glasartigen Film bedenkt, _: - 4 -

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wodurch den Elektroden langdauernde Antihygroskopizität verliehen wird.

Durch die Erfindung wird daher eine beschichtete Lichtbogenschweißelektrode zugänglich, die langdauernde Antihygroskopizität aufweist und leicht zu handhaben und aufzubewahren ist,,

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Darin bedeuten

Figur 1 die graphische Darstellung der Antihygroskopizität von konventionellen Schweißelektroden bei verschiedenen, variierenden Trockentemperaturen;

Figur 2 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Antihygroskopizität und der zum Trocknen angewendeten Heiztemperatur und Heizdauer zeigt; Figur 3 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Trockentemperatur und Trockendauer im Hinblick auf die Antihygroskopizität zeigt; und Figur 4 eine graphische Darstellung des Gehalts an absorbierten Wasser oder absorbierter Feuchtigkeit in Abhängigkeit von der Dauer in Stunden, während der Elektroden einer wasserhaltigen Atmosphäre ausgesetzt sind.

Figur 1 zeigt die Neigung von konventionellen Elektroden, Wasser oder Feuchtigkeit zu absorbieren, bei variierenden Trockentemperaturen. Wie aus den Kurven ersichtlich ist, ist die erzielte Antihygroskopizität umso besser, je höher die Trockentemperatur ist ο Es ist jedoch außerdem ersichtlich, daß der G-ehalt an absorbiertem Wasser im Lauf der Zeit nach dem Trocknen ansteigt, unabhängig von den angewendeten Trockentemperaturen. Wie bereits ausgeführt wurde, unterliegen darüberhinaus die in den Überzugsmaterialien der Elektroden vorliegenden Bestandteile der Zersetzung oder Oxydation und einer anderen Qualitätsverminderung, wenn sie einer höheren Temperatur unterworfen werden.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemäß

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ein Glaspulver mit niederem Erweichungspunkt verwendet, das keine nachteiligen Wirkungen auf die Schweißzone ausübt, und dadurch langanhaltende antihygroskopische Eigenschaften erzielt.

Dieser Erweichungspunkt sollte vorzugsweise im Bereich von 350 bis 550° G liegen.

Glaspulver, die dieser Forderung genügen, können Gläser aus folgenden Bestandteilen sein: Si O₂ - STa₂O; SiO₂ - KgO; SiO₂ - Fa₂O -K₂O; SiO₂ - Ua₂O - Al₃O₃ - ^iO₂; SiO₂ - Ha₃O GaO; SiO₂ - Na₃O - ZrO₂; SiO₂ - MgO - ITa₂O; SiO₃ - B₃O₅ AlgO-z, und Gläser, die Fluor oder Li zusätzlich zu den angegebenen Kombinationen enthalten. Es ist daher möglich, eine optimale Zusammensetzung mit variierenden Anteilen der Bestandteile in der Weise zu wählen, daß Glaspulver mit dem gewünschten Erweichungspunkt erhalten wird.

Einige dieser Zusammensetzungen sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1
Zusammensetzung von Glaspulver mit niederem Erweichungspunkt

SiO₂ FaO K₂O Li₂O GaO B₃O₅ GaF₂ Beispiel A 43*6 19.3 19*5 3<>5 3*9 9.1 Beispiel B 40.2 21„7 22.4 3=5 - 9.0 3»2

Der Erweichungspunkt des in Beispiel A angegebenen Glaspulvers beträgt etwa 370 0 und liegt etwas höher als der des Beispiels B. Die angegebene Erweichungstemperatur wurde aufgrund der augenscheinlichen Volumenverminderung der Proben gemessen, die auftrat, wenn diese Proben den beiden festgelegten Temperaturen, das heißt, 350° 0 und 400° C, ausgesetzt wurden» Unter "Erweichungspunkt" soll hier die Temperatur verstanden werden, bei der die Volumenverminderung auftritt.

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Es wurden außerdem Tests im Hinblick auf die Trockenbedingungen durchgeführt. Dabei wurden Überzugsmaterialien, die kein spezielles Glaspulver enthielten, dem ersten Trockenzyklus bei einer Temperatur von 100 bis 400 0 und danach dem höheren Trockenzyklus (dem zweiten Trockenzyklus) während kurzer Zeit unterworfen» Es wurde festgestellt, daß unter diesen Trockenbedingungen keine Veränderung der Eigenschaften der Überzugsmaterialien eintrat. Darüberhinaus verbesserten diese Trocknungsbedingungen beträchtlich die Antihygroskopizität der Überzugsmaterialien. Der bevorzugte Bereich der Trockenbedingungen ist in Figur 2 gezeigt (die Bedingung der zweiten Trocknung).

Es ist zu betonen, daß nur durch Anwendung dieser hohen Trocknungstemperaturen das Problem der Antihygroskopizität nicht gelöst wird; um eine außerordentlich stark verbesserte Antihygroskopizität zu erzielen, muß daher das beschriebene G-laspulver in Kombination mit diesen Trockenbedingungen verwendet werden,,

Der Bereich der Erweichungspunkte der G-laspulver wurde unter folgenden Voraussetzungen festgelegt;

1) Der Erweichungspunkt des Glaspulvers sollte derart sein, daß das Glaspulver bei der zweiten •Jrocknungstempera.tur ausreichend erweicht wird und die Trocknungstemperatur sollte 50 höher sein als der Erweichungspunkt unter Berücksichtigung der Schwankungsbreite.

2) Die obere Grenze des Bereiches der Erweichungstemperatur, das heißt 550° C, sollte 80° G niedriger sein, als die der maximalen Trocknungstemperatur in dem zweiten Trocknungszyklus, um eine Zerstörung der überzugsmaterialien zu verhindern» Diese obere Grenze sollte jedoch so gewählt sein, daß während des zweiten Trocknungszyklus ein ausreichendes Erweichen des Glases gewährleistet ist. Wenn das Glas eine Erweichungstemperatur oberhalb der oberen Grenztemperatur aufweist, so kann kein ausreichendes Erweichen erzielt werden, was schlechte antihygroskopische Elektroden zur Folge hat.

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3) Die untere Grenze des Bereiches der Erweichungstemperatur, das heißt, 350° G, sollte aus den erwähnten Gründen 50° C niedriger sein, als die Mindesttrοcknungstemperatur (400 G) in dem zweiten Trocknungszyklus. Bs kann möglich sein, den Temperaturbereich des zweiten Trocknungszyklus noch weiter zu erniedrigen, indem ein Glas mit einem Erweichungspunkt von -•eiliger als 350° C benutzt wird» In dieser"! Fall würde jedoch eine unzureichende Dehydratation vor dem Erweichen des Glaspulvers resultieren. Darüberhinaus würde das fast gleichzeitige Eintreten der Oehydratation und der Erweichung des j-lrispulvers die Festigkeit des Überzugsmaterials beeinträchtigen. Anders ausgedrückt, sollte das Erweichen vorzugsweise zu dem Zeitpunkt stattfinden, an dem die Dehydratation des Wasserglases vollständig abgelaufen ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen der beschichteten Lichtbogenschweißelektroden werden 1) die Über- ' zugsmaterialien, die eine geeignete Menge des Glaspulvers mit niederem Erweichungspunkt enthalten, mit Ifasserglas gemischt und geknetet, 2) die so hergestellten Überzugsmaterialien nach der bekannten Methode auf Kerndrähte aufgetragen oder aufgeschichtet, 3) die so hergestellten Elektroden danach bei einer Temperatur von 100° C bis 400° C getrocknet (erster Trocknungszyklus, das heißt, konventioneller Trocknungszyklus) und 4) die so beschichteten Elektroden danach während kurzer Dauer einer höheren Trocknungstemperatur ausgesetzt (zweiter Trocknungszyklus ).

In der Verfahrensstufe 1) können die konventionellen Überzugsmaterialien mit einem Gemisch vermischt werden, das durch vorhergehendes Vermischen von Wasserglas und Glaspulver mit einem niederen Erweichungspunkt erhalten worden war«

Der Anteil dea zugesetzten Glaspulvers mit niederem Erweichungspunkt kann in Abhängigkeit von der gewünschten Antihygroskopizität schwanken. Je größer die Menge an Glaspulver ist, eine umso bessere Antihygroskopizität wird erreicht»

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Wenn jedoch der Anteil des Glaspulvers 20 Gewichtsprozent überschreitet (bezogen auf das Gesamtgewicht der Überzugsmaterialien), wird die Leistung der Schweißelektrode verschlechtert. Bevorzugt "beträgt die Mindestmenge 0,1, insbesondere 2 Gewichtsprozent.

Im Hinblick auf die Bedingungen des zweiten Trocknungsvorgangs ist zu bemerken, daß die Verwendung des Glaspulvers mit niederem Erweichungspunkt zu einer größeren Wirksamkeit führt, als in dem Fall, in dem dieses Glaspulver nicht verwendet wird, Wie in Figur 3 gezeigt ist, Irann jede beliebige Kombination von Trocknungstemperatur und Trocknungsdauer innerhalb des durch sechs Punkte gebildeten Sechsecks gewählt werden, das heißt A (450° C χ 0.5 Min.), B (400° C χ 5 Min.), C (400° C χ 60 Min.), D (470° C χ 50 Min.), E (630° C χ 5 Min.) und F (630° C χ 0.5 Min.).

Die Gründe für die außerordentlich verbesserte Antihygroskopizität der erfindungsgemäßen beschichteten Elektroden können dadurch erklärt werden, daß das Glaspulver mit einem niederen Erweichungspunkt, das mit Wasserglas unter Bildung der Überzugsmaterialien vermischt wird, teilweise in dem Wasserglas gelöst wird und der restliche Anteil in festem Zustand verbleibt. Andererseits kann die Zusammensetzung des Wasserglases durch das gelöste Glaspulver mit niederem Erweichungspunkt geändert werden und dadurch eine Veränderung der thermischen Eigenschaften erzielt werden. Dieses Wasserglas wird in dem ersten Trocknungszyklus (100° C bis 400° C) getrocknet, wobei am Ende des ersten Trocknungszyklus das meiste in den Uberzugsmaterialien vorliegende Wasser entfernt ist. Während des zweiten Trocknungszyklus kann das darin verbliebene Wasser vollständig daraus entfernt werden. Gleichzeitig wird das im festen Zustand verbliebene Glaspulver auf eine Temperatur obe3?halb des Erweichungspunktes erhitzt, wodurch seine Fluidität erhöht wird. Das nun im flüssigen Zustand vorliegende Glaspulver dringt dann in die Zwischenräume zwischen den Teilchen der Beschichtungsmaterialien ein und bedeckt somit die Oberflächen, der gesinterten Teilchen mit einem gegen

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Feuchtigkeit beständigen glasartigen Film.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die angegebenen Beispiele beschrieben.

Zunächst wurden die in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführten Überzugsmaterialien mit geringem Wasserstoffgehalt mit 5 Gewichtsprozent des Glaspulvers mit niederem Erweichungspunkt, das in Tabelle 1B gezeigt ist, vermischt.

Tabelle 2

Kalk- E¹XUO- Ferro- Ferro- Alumini- SiIi- Magne- Ru- Y/asstein rit mangan sili- umoxyd ziumdi- sium- til ser-

zium oxyd oxyd glas

G-ew« fo
50 18 3o2 13 2 2 14 6.8

Die so hergestellten Gemische wurden dann unter den Bedingungen des zweiten Trocknungsvorgangs getrocknet, wie 600° 0x5 Min. (Symbol a), 500° C χ 45 Min. (Symbol b), 450° G χ 5 Min. (Symbol c), 400° G χ 50 Min. (Symbol d) beziehungsweise 400° C χ 5 Min. (Symbol e). Die so hergestellten Proben werden als Proben A bezeichnet.

In einem zweiten Fall wurde Glaspulver der gleichen Art vorher mit Wasserglas vermischt und als Bindemittel oder Klebmittel zum Verbinden der Überzugsmaterialien verwendet. Die so hergestellten Materialien wurden unter den Bedingungen des zweiten TrοcknungsVorgangs erhitzt, wie 550° C χ 5 Min (Symbol f) beziehungsweise 450 G χ 50 Min. (Symbol g)_o (Die so hergestellten Proben werden als Proben B bezeichnet)

Die Proben A und B wurden unter atmosphärischen Bedingungen bei 30° G und 90 % relativer Feuchtigkeit der Prüfung der Hygroskopizität unterworfen. In Figur 4 sind die Ergebnisse der Glaspulver enthaltenden Proben mit den von Glaspulver freien Proben, die unter den gleichen Trocknungsbedingungen

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erhalten wurden, verglichene In Figur 4 stehen die Kurven a,. b, c, d und e für die Proben, die Glaspulver enthalten, und die Kurven a¹, b^!, c^f, d' und e¹ stellen die Proben dar, die von Glaspulver frei sind.

V/ie aus Figur 4 ersichtlich ist, besteht selbst im Fall der von Glaspulver freien Proben die Tendenz, daß die Rate der Feuchtigkeitsabsorption geringer ist, wenn die Proben während des zweiten Trocknungszyklus einer höheren Trocknungstemperatur unterworfen wurden. Diese Maßnahme ist jedoch zum Erhalten zufriedenstellender Ergebnisse noch unzureichend. Es ist zu betonen, daß durch Zugabe des Glaspulvers mit niederem Erweichungspunkt die Feuchtigkeitsabsorptionsrate außerordentlich vermindert wird und somit die Antihygroskopizität im hohen Maß verbessert wird. Darüberhinaus zeigen die Kurven a¹, b¹, c¹, d¹ und e¹ die Tendenz, daß sich der Gehalt an absorbiertem Wasser selbst noch nach 70 Stunden erhöht, während die Kurven a, b, c, d und e den Sättigungspunkt bei einem niedrigeren S7assergeha.lt erreichen und keine weitere Erhöhung zeigen. Der Y/assergehalt dieses Wertes würde bei dem Schweißvorgang keine nachteilige, auf Wasserstoff zurückzuführende \/irkung auf die Schweißqualität ausüben, es ist daher nicht erforderlich, die Elektroden vor der Verwendung erneut zu trocknen, selbst wenn diese Elektroden unter ungünstigen Umgebungsbedingungen während beträchtlich langer Dauer aufbewahrt wurden, wie bei höherer Temperatur und höherer Feuchtigkeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf jede beliebige Art der beschichteten Elektroden anwendbar und ist besonders vorteilhaft bei Schweißelektroden zur Verwendung für hochzugfesten Stahl, bei dem der Y/asserstoffeinfluß in keinem Grad zu vernachlässigen ist« Es ist zu bemerken, daß die erfindungsgemäßen beschichteten Lichtbogenschweißelektroden die Notwendigkeit beseitigen, zum Regeln der Feuchtigkeitsabsorption die beschichteten Elektroden zu schützen und daß eine beständige

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Qualität der Schweißung erzielt wird (Hißfreiheit der Schweißzone) und Flexibilität der Schweißbedingungen ermöglicht wird, beispielsweise die Anwendung einer niedereren Vorheiztemperatur, wodurch das Verfahren großen technischen Wert bekommt.

Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß die beschriebenen Merkmale der Erfindung ohne weiteres verschiedenen anderen Modifikationen und Anwendungszwecken zugänglich sind, ohne daß ■von der Erfindung abgewichen wird.

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Claims

- 12 Patentansprüche

Beschichtete Lichtbogenschweißelektrode mit verbesserter Antihygroskopizität, dadurch gekennzeichnet, daß sie in den Überzugsmaterialien weniger als 20 Gewichtsprozent eines Glaspulvers mit einem Erweichungspunkt im oereich von 350° C bis 550° C enthält.

2ο Lichtbogenschweißelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaspulver 35 bis 60 % Na₂O und/oder K₂O und 3 bis 23 % CaO und/oder B₃O₅ enthält»

3. Lichtbogenschweißelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas zusätzlich weniger als 15 ^ LigO enthält.

4. Verfahren zum Herstellen einer beschichteten Lichtbogenschweißelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß den Überzugsmaterialien Glaspulver mit einem niederen Erweichungspunkt von 350 bis 550° C zugegeben wird, das Gemisch mit Wasserglas als Bindemittel vermischt wird, ein Kerndraht mit dem so hergestellten Gemisch beschichtet wird und die erhaltene Rohelektrode einem ersten Trocknungsvorgang bei einer Temperatur im Bereich von 100° C bis 400° C und anschließend einem zv/eiten Trocknungsvorgang während kurzer Dauer bei hoher Temperatur unterworfen wirde

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