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Edelgas-Lichtbogenschweißverfahren Die Erfindung bezieht sich auf
ein Edelgas-Lichtbogenschweißverfahren, das mitunter als WIG-Verfahren (Wolfram-Inertgas-Verfahren)
bezeichnet wird. Dieses Verfahren ist ein wohlbekanntes Verfahren des Lichtbogen-Schmelzschweißens
von Metallerzeugnissen, bei dem zwischen einer nicht-verbrauchenden Wolframelektrode
und dem zu schweißenden Werkstück ein Lichtbogen gezogen wird. Die Elektrode, der
Lichtbogen und das Werkstück werden durch ein inertes Schutzgas, wie Helium oder
Argon oder Gemischen der beiden, abgeschirmt. Bei Anwendung auf Aluminium zeichnet
sich dieses Schweißverfahren dadurch aus, daß es porenfreie Schweißnähte hoher Güte
liefert. Für dünne Aluminiummaterialien ist üblicherweise kein Zusatz-oder FUllmetall
erforderlich, es sei denn, daß das
Material zum Reißen neigt. Dicke
Platten mit rinnenartig vorbereiteter Stoßfuge erfordern einzuschmelzendes Zusatzmetall
zum Ausfüllen der Fuge. Bei warmbehandelbaren Legierungen kann, auch wenn keine
rinnenartige Stoßfuge vorhanden ist, Zusatzmetall erforderlich sein, um ein Reißen
der Schweißwülste zu verhindern.
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ür zu schweißende Materialien von ca. 6 bis 20mm (1/4" bis 3/4")Dicke
wird Gleichstrom mit gerader Polarität (negativer Elektrode) vorgezogen, da die
Hitzekonzentration 70% am Werkstück und 30% an der Elektrode beträgt. Zum Schweißen
sehr dünner Materialien, beispielsweise mnter 1,25mm (0,05") Dicke wird mitunter
Gleichstrom umgekehrter Polarität (positiver Elektrode) verwendet, und zwar wegen
der reinigenden Wirkung durch Beseitigung von Oxyden von der Werkstücksoberfläche,
obwohl diese Polaritätsumkehr zu einer unerwünschten Wärmebilanz von ca. 70 an der
Elektrode und 30 an dem Werkstück führt. Beim Schweißen von Material bis zu 12,5mm
(1/2") Dicke wird häufig Wechselstrom bevorzugt, da dann die Wärmeverteilung zwischen
Elektrode und Werkstück ausgeglichen ist. Außerdem hat Wechselstrom eine erwünschte
Reinigungswirkung durch Beseitiiigung von Oxyden von der Werkstücksoberfläche.
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Das Edelgas-Wolfram-Lichtbogenschweißen liefert eine Schweißnaht hoher
Qualität, ist jedoch bisher wegen der verhältnismäßig geringen Auftraggeschwindigkeiten
mehr oder weniger auf das Schweißen von Materialien von weniger als ca. 20mm (3/4")
Dicke beschränkt geblieben. Gemäß US-PS 3 483 354 (MAnns) wurde versucht, die Geschwindigkeiten
des Zusatzmetallauftrages zu erhöhen, indem das Zusatzmetall unabhängig vorgewärmt
wird, so daß es beim Eintritt in das Sehweißbad schmilzt. Obwolidies beim Schweißen
von Eisenmaterialien eine wesentliche Verbesserung darstellte, konnten die Auftraggeschwindigkeiten
beim Aluminiumschweißen nicht wesentlich erhöht werden, da beim Aluminiumschweißen
die Erhöhung der zugeführten Energie nur ca. 1% der insgesamt zugeführten
Energie
beträgt. Wenn hingegen der Zusatzdraht beim Schweißen von Eisenmetallen vorerhitzt
wird, beträgt die Energiesteigerung ca. 30% des gesamten Energieaufwandes.
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Die Schweißzeiten können durch Verkleinerung der Schweißfuge vermindert
werden, da dann zum Füllen der Fuge eine geringere Anzahl von Durchgängen genügt.
Diese Maßnahme wird im allgemeinen als Schmalfugenschweißen bezeichnet. Dieses Schmalfugenschweißen
dicker Aluminiumplattenrnch dem WIG-Verfahren stellt den Fachmann jedoch vor schwierige
Probleme, da es wegen Nichtbenetzung zu Mängeln in der Verschmelzung und auch zur
Bildung von Oxydplatten oder -schichten führt. Außerdem ist die Oberfläche des Schweißwulstes
außerordentlich rauh, und dies macht eine umfangreiche Behandlung der Oberfläche
zwischen den einzelnen Durchgängen erforderlich. Wegen dieser erforderlichen erhöhten
Oberflächentehandlung zwischen den einzelnen Durchgängen ist eine nennenswerte Verminderung
des gesamten Zeitaufwandes zum Schweißen nicht zu erzielen.
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Von dem geschilderten Stand der Technik geht die Erfindung aus.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung bezieht sich auf das Schmalfugenschweißen
dicker Metallplatten, insbesondere von Aluminiumplatten von ca. 20 bis ca. 150mm
(3/4" bis 6") Dicke.
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Bei dem Verfahren werden zwei Platten stumpf aneinanderstoßend derart
angeordnet, daß zwischen den Enden der Platten eine schmale Schweißfuge mit einer
maximalen Breite von ca.
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5 bis ca. 20mm (0,2 bis 0,75") gebildet wird. Dann wird in die Nut
eine nicht-verbrauchende Elektrode, vorzugsweise eine thorierte Wolframelektrode
eingeführt und in ein inertes Schutzgas, wie Helium, eingehüllt. Für Aluminiummaterialien
enthält das Gas mehr als 75%, und vorzugsweise über 90%, Helium. Von der Elektrode
zum Werkstück wird ein Gleichstrom gerader Polarität von 200 bis 600 A geführt,
so daß ein Lichtbogen gezogen wird, der in der Fuge ein Schweißbad aus geschmolzenem
Metall
erzeugt. In der Schweißfuge wird ein elektromagnetisches Feld wechselnder Polarität
erzeugt, dessen Intensität und Frequenz ausvreicht, um den Lichtbogen in Richtung
der Fugenbreite mit einer Schwingungszahl von 100 bis 300 Per/min zum Schwingen
zu bringen. Die Elektrode wird dabei mit dem sie begleitenden schwineenden Lichtbogen
in der Längsrichtung der Fuge über deren Länge mit einer Geschwindigkeit von ca.
125 bis ca. 500mm/min (ca. 5 bis ca.
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20") je Minute bewegt. Beim Durchgang der Elektrode durch die Fuge
wird in das Schweißbad Zusatz- oder Füllmetall eingeführt. Um Oxydeinschlüsse und
Porosität möglichst gering zu halten, wird das Zusatzmetall vor Einführen in das
Schweißbad vorzugsweise vorerhitzt. Die durch das Verfahren gemäß der Erfindung
erzeugte Schweißnaht ist mängeli, und das Verfahren setzt kaum eine, oder keine,
Oberflächenbehandlung zwischen den Durchgängen voraus, außer der Beseitigung von
Schmutz oder Ruß von der Oberfläche mit einem Tuch oder einer Drahtbürste.
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Die Erfindung bezieht sich also auf ein Schmalfugen-Edelgas-Wolfram-Lichtbogenschweißverfahren
zum Stumpfschweißen dicker Aluminiumplatten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
der Lichtbogen in Richtung der Fugenbreite in eine Schwingung von ca. 100 bis 300
Per/min versetzt wird. Durch diese Maßnahme wird der Zeitaufwand für das Schweißen
vermindert und die Güte der Schweißnaht verbessert.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispselsweive
näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung
zur Durchfürhung des Verfahrens gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist ein Schnitt entlang
der Linie 2-2 in Fig. 1; Fig. 3 bis 6 sind Schnittdarstellungen typischer Schweißfugenformen
gemäß
der Erfindung.
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Es wurde gefunden, daß durch eine elektromagnetisch erzeugte Schwingung
des Lichtbogens mit einer Frequenz innerhalb eines bestimmten Bereiches einwandfreie
und verhältnismäßig oxydfreie Stumpfschweißungen zwischen dicken Aluminiumplatten
im Schmalfugen-Edelgas-Wolfram-Lichtbogenschweißverfahren hergestellt werden können.
Da der Schweißwulst verhältnismäßig glatt ist, ist eine ausgedehnte Oberflächenbehandlung
zwischen den Durchgaggen nicht erforderlich, und der gesamte Zeitaufwand für das
Schweißen wird erheblich vermindert.
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Fig. 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung. Der Schweißbrenner ist mit 10 bezeichnet. Innerhalb des Schweißbrenners
10 ist eine Wolframelektrode 11 getragen, deren Spitze innerhalb einer Fuge 13,
in einem geringen Abstand vom Boden derselben angeordnet ist. In den Schneidbrenner
10 wird durch eine Leitung 14 ein inertes Schutzgas eingeführt, das durch einen
Ringkanal 15 im Schweißbrenner 10 zuführt wird und die Elektrode 11 und das Schweißbad
15, das sich am Boden der Fuge bildet, einhüllt.
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Ein elektromagnetisches Polstück oder eine Sonde 16 zum Schwingen
des Lichtbogens ist in unmittelbarsr Nähe der Elektrode, vorzugsweise, wie in der
Zeichnung dargestellt, innehalb der Fuge, angeordnet. Das Polstück 16 ist an einem
Magnetfelderzeuger oder einer -spule 19 befestigt, die in geeigneter Weise mit dem
Schweißbrenner 10 durch einen Arm 17 und einen Bund 18 verbunden ist; die Größe
und Frequenz des elektromagnetischen Feldes ist mittels einer Steuervorrichtung
20 gesteuert. Die Elektrode 11 ist elektrisch mit der negativen Klemme einer Gleichstromzuleitung
21 verbunden, während das Werkstück 22 mit der positiven Klemme verbunden ist. Gewöhnlich
sind für die Steuerung der Lichtbogenlänge, des Stromes o.dgl.
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geeignete Steuervorrichtungen (nicht dargestellt) vorgesehen.
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Zum Vorschieben des Zusatzdrahtes 24 beim Schweißen durch eine Führungshülse
25 zum Schweißbad 15 sind Vorschubrollen 23
vorgesehen. Wenn erwünscht,
kann zur Sicherung der vollständigen Abschirmung des Schweißbades mit Inertgas durch
geeignete Mittel am Boden der Fuge zusätzliches Schutzgas eingeführt werden. Die
Richtung des Schweißkopftransportes ist durch einen Pfeil angedeutet.
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Die Schweißfuge gemäß der Erfindung kann von beliebiger herkömmlicher
Ausbildung sein, wie in Fig. 3 bis 6 gezeigt.
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Die gewöhnlich U- oder V-förmige Fuge sollte am Ort der größten Querschnittsbreite
nicht breiter als ca. 20mm (°,t5") noch schmäler als ca. 5mm (0,2") sein. Die Seitenwände
der Nut können vom Boden der Nut auswärts unter einem Winkel # von bis zu 15° gegen
die Vertikale geneigt sein, wobei jedoch der Winkel Q so klein wie möglich gehalten
werden soll.
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In der Praxis wird im allgemeinen die obere Fuge (Fig. 3 bis 5) zuerst
vorbereitet, dann werden einige Durchgänge ausgeführt, und dann wird die untere
Fuge vorbereitet, deren Tiefe ausreicht, Schweißmetall aus den vorangegangenen Durchgängen
der Schweißung freizulegen.
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Gemäß der Erfindung wird zwischen der Wolframelektrode und dem Boden
der Fuge ein Lichtbogen gezogen, indem zwischen diesen ein Gleichstrom gerader Polarität
von ca. 200 bis 600 A hindurchgeschickt wird. Die Lichtbogenspannungen liegen im
Bereich von ca. 10 bis 15 V. Die Elektrode, der Lichtbogen und das sich am Boden
der Fuge bildende Schweißbad werden durch ein Schutzgas mit einem Gehalt von mindestens
75%, vorzugsweise über 90%, an Helium geschützt. Schutzgasmengen von ca. 1,4 bis
ca. 9,5 m3 (50 bis 300 cubic feet) je Stunde reichen gewöhnlich für eine angemessene
Abschirmung aus. Bei sehr tiefen Fugen kann es erwünscht sein, einen Teil des Inertgases
am Fugenboden einzuführen, um eine vollständige Abschirmung des Schweißbades zu
erzielen. Der Lichtbogen wird durch ein ihn kreuz endes elektromagnetisches Feld
von wechselnder Polarität in Richtung der Fugenbreite in Schwingungen versetzt.
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Zur Erzielung glatter, verhältnismäßig oxydfreier Schweißwülste
muß
die Schwingungsfrequenz zwischen 100 und 300, vorzugsweise zwischen 150 und 220
Per/min betragen. Eine geeignete Einrichtung zur Schwingungserzeugung für den Lichtbogen
ist ein elektromagnetischer Wechselfelderzeuger der Data Science Gorporation mit
der Typenbezeichnung Cyclomatic 70.
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Lichtbogenschwingungen außerhalb dieses Bereiches führen zu einer
sehr rauhen Schweißwulstoberfläche, Mängeln durch unzureichende Verschmelzung infolge
schlechter Benetzung sowie großer Häufigkeit von Oxydeinschlüssen. Außerdem treten
bei Frequenzen unterhalb 100 Per/min in den Schweißnähten häufig Mängel durch unzureichende
Verschmelzung infolge von Oxydschichten oder -flocken auf. Das magnetische Wechselfeld
lenkt nicht nur den Lichtbogen, sondern verteilt anscheinend auch die Metallschmelze
über die Breite der Fuge, so daß die Probleme der Metallanhäufung, Elektrodenverschmiung,
und Unregelmäßigkeiten des Zusatzdrahtvorschubs, Transportgeschwindigkeit der Elektrode
und der Stellung des Zusatzdrahtes in dem Metallschmelzebad auf, und all dies beeinträchtigt
die Qualität der erzeugten Schweißnaht. Gewöhnlich ist bei dem Verfahren gemäß der
Erfindung keine oder kaum eine andere Oberflächenpflege zwischen den einzelnen Durchgängen
außer der Entfernung von Schmutz oder Ruß von der Oberfläche mit einem Lappen oder
einer Drahtbürste erforderlich.
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Während des- Schweißens wird der Zusatzdraht in das Schweißbad vorzugsweise
an der voreilenden Kante in einem Maß von ca. 0,45 bis 2,65 kg/h (1 bis 6 lbs/h)
eingeführt, und dies ist wesentlich mehr als die Zusatzdrahtmenge, die beim normalen
WIG-Schweißen möglich ist, und führt immer noch zu einwandfreien Schweißnähten.
Vorzugsweise wird der Zusatzdraht vor Einführen in das Schmelzebad zur Beseitigung
etwaigen Wassers von der Drahtoberfläche und zum Aufbrechen des natürlichen Ozydüberzugs
unabhängig auf eine Temperatur von ca. 150 bis 4800c (300 bis 9000F) vorerhitzt.
Durch diese Maßnahme kann die Gafahr von Orydeinschlüssen in der Schweißnaht ganz
wesentlich vermindert werden. Unter unabhängigem
Vorerhitzen ist
zu verstehen, daß das Erhitzen des Drahtes durch andere Mittel als durch den Lichtbogen
oder die Schmelze, beispielsweise durch die IR²-Erhitzung (Widerstandserhitzung)
des Schweißdrahtes durch hindurchgeführten Strom, erfolgt. Während des Schweißens
sollte der Zusatzdraht fest gegen den Boden der Fuge gepreßt werden, um jegliche
Verschmutzung der Elektrode zu verhindern. Die Brennertransportgeschwindigkeit liegt
beim Schweißen dicker Platten meist im Bereich von ca. 75 bis 500mm (3 bis 20")
je Minute. Aufeinanderfolgende Schweißraupen werden in gleicher oder ähnlicher Weise
übereinander in die Fuge eingelegt, bis diese vollständig gefüllt ist.
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Das Verfahren tritt in Wettbeierb mit dem Schutzgas-Metall-Lichtbogenverfahren,
insbesondere mit demjenigen gemäß US-PS 3 047 713 (Liptak), bei dem verhältnismäßig
dicker Schweißdraht verwendet wird und das unter Bedingungen durchgeführt wird,
bei dem eine kugelförmige Überführung von der Elektrode zum Metallschmelzebad herbeigeführt
wird. Bei dem von Liptak beschriebenen Verfahren ist jedoch das Schweißschmelzebad
so groß, daß ein Schweißen bei nicht-ausgerichteter Lage der Werkstücke (abweichend
von der ebenen Lage) praktisch nicht durchführbar ist, weil dann die Metallschmelze
aus dem Schweißbad fortläuft. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist das Schweißschmelzebad
verhältnismäßig klein und durch die magnetischen Kräfte mehr oder weniger gesteuert,
so daß ein Schweißen bei horizontal und vertikal nicht ausgerichteter Stellung ermöglicht
wird. Wie von Fachleuten anerkannt, wird die "ebene Lage" einer Stumpfschweißfuge
dadurch beschrieben, daß das Werkstück und die Fuge sich in einer allgemein horizontalen
Ebene befinden. Bei horizontaler Stellung befindet sich das Werkstück zwar in einer
von der Horizontalen abweichend geneigten Ebene, jedoch liegt de Fuge selbst horizontal.
In einer "vertikalXn" Lage befindet sich sowohl das Werkstück als auch die Fuge
in einer gegen die Horizontale geneigten Ebene.
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Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Veranschaulichung der
Erfindung. Bei diesen BeispjiEen wurde ein Schweißzusatzdraht Nr. 5183 (0,16mm=1/16"urchmesser)
zum Schweißen der Platte Nr. 5083 verwendet, während ein Schweißzusatzdraht Nr.
5039 (0,16mm = 1/16" Durchmesser) zum Schweißen der Platte Nr. 7039 verwendet wurde.
Die Vorschubgeschwindigkeiten für den Zusatzdraht betrugen ca. 4000 mm (160 inches)
je Minute oder ca. 1,32 kg (2,9 lbs) je Stunde.
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Als Schutzgas dient 1000,6-iges Helium. Die Schweißstromstärke war
während der einleitenden Durchgänge allgemein höher. Die Lichtbogenspannung war
veränderlicdvon etwa 13 bis 15 V.
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Die Fugenausbildung war diejenige gemäß Fig. 3. Die Zusammensetzung
und Dicke der Platte sowie die Abmessungen der Nut sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Die Parameter des Schweißens sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.
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Tabelle 1
| Probe Legierung und Härte Plattendicke Neigungswinkel Maximale
Fugenbreite 2) |
| der Platte 1) mm (inches) der Seitenwand mm (inches) |
| 1 5083-H115 44,4 (1,75) 5° 11,7 (0.46) |
| 2 5083-F 63,5 (2.50) 4° 12,4 (0.49) |
| 3 7039-T64 50,8 (2.00) 4° 11,4 (0.45) |
| 4 5083-H113 50,8 (2.00) 4° 11,4 (0.45) |
| 5 5083-H113 50,8 (2.00) 4° 11,4 (0.45) |
| 6 5083-H321 38,1 (1.50) 4° 10,7 (0.42) |
| 7 5083-H321 38,1 (1.50) 4° 10,7 (0.42) |
| 8 5083-H321 38,1 (1.50) 4° 10,7 (0.42) |
1) Bezeichnung nach den Normen der Aluminium Association 2) Gemessen an der Plattenoberfläche.
In allen Fällen war die Fugentiefe gleich der halben Plattendicke. Die Bodenbreite
der Fugen betrug 7,87 mm = 0.31" = 5/16"
Tabelle 2
| Probe Zahl Strom- Transport- Drahtvorschub Schwin- Gasverbrauch
Lage Zugfe- Dehnung% |
| Nr. der stärke geschwin- m/min(inches/min) gungs- m³/h (cuft/h)
stigkeit in 50mm |
| Durch- A digkeit frequenz kp/cm²(psi) (2") |
| gänge cm/min Per/min |
| (inches/min) |
| 1 7 450 3,95 (156) 125 4,53 (160) eben 3150 (44,800) 24.0 |
| 2 10 425-500 15,24 (6) 3,95 (156) 125 2,83-4,24 " 3130 (44,500)
32.0 |
| (100-150) |
| 3 8 440-475 15,24 (6) 3,95 (156) 125 4,24 (150) " 3810 (54,100)
15.7 |
| 4 10 280-430 15,24 (6) 4,06 (160) 120 5,65 (200) horiz. 2950
(42000) -- |
| 5 9 360-430 20,32 (8) 4,06 (160) 240 5,65 (200) " 2950 (42,000)
-- |
| 6 8 280-430 20,32 (8) 4,06 (160) 240 5,65 (200) " 2950 (43,200)
-- |
| 7 8 285-430 20,32 (8) 4,06 (160) 240 5,65 (200) vert. -----
-- |
| 8 8 290-430 20,32 (8) 4,06 (160) 160 5,65 (200) " 3814 (45,200)
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Die Schweißnähte gemäß der Erfindung zeichnen sich überraschenderweise
dadurch aus, daß ihre Festigkeit nur wenig unter der des Grundmetalls liegt. Alle
beschriebenen Schweißungen waren einwandfrei und im wesentlichen porenfrei. Für
den Zugversuch an den Schweißnähten wurde die Schweißnaht ob erfläche bis zur Ebene
der Plattenoberfläche maschinell entfernt.
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Der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Ausdruck "Aluminium"
bezieht sich auf Reinaluminium, handelsübliches Reinaluminium sowie Aluminiumlegierungen
mit mehr als 75% Aluminium.
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Mannigfaltige Abwandlungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
ohne Abweichen vom Erfindungsgedanken im Rahmen der folgenden Ansprüche möglich.
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Pat entansprüche