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Schweißdraht oder Schweißelektrode zum Schweißen
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Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schweißdraht
oder eine Schweißelektrode, die nicht nur als sich verbrauchende Elektrode, sondern
auch als Fülldraht beim Bogenschweißen verwendet wird.
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Herkömmliche, derartige Elektroden sind entweder in Form eines einzigen
massiven Drahtes oder in Form einer zusammengesetzten Elektrode mit im Zwischenraum
befindlichem Schweißmittel ausgebildet, und jede dieser herkömmlichen Elektrodenarten
hat einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und kann entsprechend
den
Eigenschaften und der Dicke des zu schweißenden Metalls und entsprechend der Schweißstelle
und/oder dem Schweißprozeß, für den diese Elektroden vorgesehen sind, verschiedene
Durchmesser und Zusammensetzungen aufweisen. Da herkömmliche Fülldrähte entweder
die Form eines einzigen massiven oder zusammengesetzten Drahtes mit einem kleinen
Oberflächenbereich pro Querschnittbereich aufweisen, kann die Wärme durch einen
derartigen konventionellen Fülldraht leicht übertragen werden. Dies ermöglicht,
daß die zum Schmelzen des Fülldrahtes benötigte Wärme während einem kontinuierlichen
Zuführen des Fülldrahtes aus der Schmelzstellege nommen wird, wodurch ein unerwünschter
Temperaturabfall in der Schmelzstelle verursacht wird. Daher hat der herkömmliche
Fülldraht den Nachteil, daß die Wärmemenge, die durch den Lichtbogen zugeführt wird,
groß genug sein muß, um einen solchen Temperaturabfall der Schinelzstelle auszugleichen.
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In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß die Temperaturen an der
Schmelzstelle nicht gleichmäßig verteilt sind. Der mittlere Teil der Schmelzstelle
direkt unter dem Lichtbogen hat eine sehr hohe Temperatur, während die Temperaturen
proportional zur Umfangsnähe der Schmelzstelle abnehmen, da die Wärme vom Umfangsbereich
der Schmelz stelle auf das zu schweißende Metall übertragen
wird.
Um die Temperaturverteilung an der Schmelzstelle gleichförmig zu machen, ist es
wünschenswert, den herkömmlichen Fülldraht am mittleren Teil der Schmelzstelle zuzuführen.
Tatsache ist jedoch, daß es schwierig ist, einer Schmelzstelle Fülldraht zuzuführen,
ohne daß die Drahtspitze außer Position gerät, da unbeabsichtigte Abweichungen oder
Querbewegungen des Fülldrahtes ungeachtet dessen, ob der Schweißvorgang von Hand
oder automatisch durchgeführt wird, nicht zu vermeiden sind. So muß die durch den
Lichtbogen zugeführte Wärmemenge groß genug sein, um durch derartige Abweichungen
und Verbiegungen des Fülldrahtes bedingte Wirkungen aufzunehmen.
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Aus derartigen Schweißbedingungen, d.h. durch eine übermäßig große
Menge der durch den Lichtbogen zugeführten Wärme entstehen zahlreiche Probleme.
Unter anderem treten eine Veränderung der Eigenschaften des zu schweißenden Metalls,
eine Abweichung in der Arbeitsweise der Schweißmaschine, Spannungen, eine Abweichung
der Ansetzstellung des Fülldrahtes, Durchbrennen infolge von nicht gleichmäßigem
Nutwinkel und zickzackförmige Schweißraupen auf. Eine Art, diese Probleme zu lösen
ist es, einen dünneren Fülldraht zu verwenden, der die Ubertragung einer geringeren
Wärmemenge zum nicht geschmolzenen Teil des Fülldrahtes erlaubt, wodurch der Grad
des
Temperaturabfalls an der Schmelzstelle verringert wird. Um jedoch
die gleiche pro Zeiteinheit geschmolzene Fülldrahtmenge wie bei einem dickeren Draht
zu erhalten, muß eine wesentliche Erhöhung der Zuführgeschwindigkeit, d.h. der Menge
Fülldraht, die der Schmelzstelle pro Zeiteinheit zugeführt wird, stattfinden. Wenn
der Schmelzstelle ein dünner Fülldraht mit hoher Geschwindigkeit zugeführt werden
würde, würde die Querbewegung des Fülldrahtes so stark werden, daß die durch den
Lichtbogen zugeführte Wärmemenge groß genug sein müßte, um einer derartigen intensiven
Querbewegung zu widerstehen.
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Das führt zu den gleichen Nachteilen wie bei der Verwendung eines
dickeren Fülldrahtes Wenn andererseits ein dünner Fülldraht mit geringer Geschwindigkeit
einer Schmelzstelle zugeführt wird, wird dieser schmelzen bevor seine Spitze die
Schmelz stelle erreicht. Dies wird für eine stabile kontinuierliche Zufuhr des Fülldrahtes
ein ernstes Hindernis sein.
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Bei Speisung über einen Halter erzeugte eine sich verbrauchende Elektrode
wegen des Innenwiderstandes entsprechend der Länge der am Halter vorstehenden Elektrode
Wärme und einen Lichtbogen. Die so erzeugte Wärme schmilzt das zu schweißende Werkstück
und die sich verbrauchende Elektrode.
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Die zur Erzeugung der Wärme verbrauchte elektrische Leistung P entspricht
bei Fließen eines Stromes I in einem Widerstand R dem Ausdruck P I 2! 1 p = 1 5
mit t = spezifischer Widerstand des Widerstandes 1 = Länge des Widerstandes und
S = Querschnittsfläche des Widerstandes.
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Diese Formel gibt an, daß die proportional der vorstehenden Leistung
P geschmolzene Menge einer sich verbrauchenden Elektrode proportional zum spezifischen
Widerstand der Elektrode und der Länge der Elektrode und umgekehrt proportional
zur Querschnittsfläche der Elektrode ist.
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D.h., daß die Intensität eines Schweißstromes durch die Schweißposition
und die Eigenschaften eines zu schweißenden Metalls bestimmt ist, und daß die Menge
einer geschmolzenen sich verbrauchenden Elektrode scheinbar durch den Durchmesser
der Elektrode und die Elektrodenlänge bestimmt ist. Um mit einem konstanten Schweißstrom
ein Ansteigen der Schmelzgeschwindigkeit zu erhalten, ist es entweder notwendig,
eine dünnere sich verbrauchende Elektrode zu verwenden, oder die Elektrodenlänge
zu erhöhen.
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Eine dünne Elektrode muß jedoch einer Schmelzstelle mit hoher Geschwindigkeit
zugeführt werden, was zu Querbewe-
gungen der Elektrode führen
würde. Auf der anderen Seite würde es ebenfalls zu Querbewegungen der Elektrode
führen, wenn diese zu lang wäre, was ein stabiles Schweißen unmöglich macht.
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Beim Bogenschweißen in Inertgasatmosphäre variiert die kleinste Intensität
eines Schweißstromes, bei dem eine Sprühregenübertragung des Metalls stattfindet,
mit den Eigenschaften und Abmessungen der sich verbrauchenden Elektroden. Unterhalb
dieser kritischen Intensität erzeugen Elektroden eine Metallübertragung in großen
Topfen mit einer nicht tolerierbaren Menge von Spritzern, wobei das Inertgas lediglich
eine geringe Abschirmfunktion hat, und die Wechsel der Stromintensität zu scharf
sind, um zufriedenstellende Verschweißungen zu erzeugen. Obwohl die kritische Stromintensität
durch Verwenden einer dünneren, sich verbrauchenden Elektrode herabgesetzt werden
kann, sind die vorstehend beschriebenen Nachteile bei einer dünneren sich verbrauchenden
Elektrode ein Hindernis für deren Verwendung.
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Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden Erz in dung, einen Schweißdraht
zu schaffen, bei dem die vorstehend beschiebenen Nachteile beseitigt sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Schweißdraht
zur Verwendung als Elektrode oder Fülldraht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß
er aus drei oder mehreren miteinander verdrillten Einzeldrähten besteht, so daß
der Querschnitt dieser Elektrode aus einander benachbarten Kreisen gebildet ist,
deren Mittelpunkte ein gleichseitiges Polygon bilden.
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Es kann auch ein von mehreren Drähten wendelförmig umwickelter Kerndraht
verwendet werden.
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Da die Querschnittsfläche der verdrillten Elektrode gemäß der vorliegenden
Erfindung kleiner als die eines einzigen massiven Drahtes mit einem Durchmesser
gleich dem des um das Drahtbündel gedachten Kreises ist, ist die kritische Intensität
eines Schweißstromes, bei dem eine Sprühregenübertragung des Metalls stattfindet
vergleichsweise niedriger. Auf der anderen Seite erzeugt die kleinere Querschnittsfläche
der verdrillten Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung eine größere Oberfläche.
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Dies erlaubt eine größere Wärmeabstrahlungsmenge pro Zeiteinheit,
wodurch verhindert wird, daß selbst bei hohem Schweißstrom die verdrillte Elektrode
übermäßig aufgeheizt wird. Zusammen mit der niedrigen kritischen Intensität dient
dies dazu, daß die verdrillte Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung einen weiten
Schweiß strombereich abdeckt.
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Die verdrillte Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung ist aus
massiven Drähten aufgebaut. Die metallischen Bestandteile, aus denen jeder massive
Draht zusammengesetzt ist, können von den metallischen Bestandteilen der anderen
massiven Drähte abweichen.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figuren
1 bis 4, die Querschnitte durch bevorzugte Ausführungsformen der Schweißelektroden
gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen, beschrieben Die in der Fig. 1 gezeigte
verdrillte Elektrode 1 besteht aus drei Drähten la, 1b und 1c, die einen gleichen
Querschnitt aufweisen, und die wendelförmig miteinander verdrillt sind, so daß der
Querschnitt dieser Elektrode aus drei Kreisen besteht, die so zueinander liegen,
daß ihre Mittelpunkte ein gleichseitiges Dreieck bilden.
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Die in der Fig. 2 gezeigte verdrillte Elektrode 2 bes teht aus vier
Drähten 2a, 2b, 2c und 2d, die gleiche Querschnitte aufweisen, und die wendelförmig
miteinander verdrillt sind, so daß der Querschnitt dieser Elektrode aus vier Kreisen
besteht, die so zueinander angeordnet sind,daß ihre Mittelpunkte ein Quadrat bilden.
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Die in der Fig. 3 gezeigte verdrillte Elektrode 3 besteht aus einem
Kerndraht 3a und sechs Drähten 3b bis 3g, deren Querschnitte einander und dem Querschnitt
des Kerndrahtes 3a gleich sind, und die wendelförmig um den Kerndraht gewickelt
sind, so daß der Querschnitt dieser Elektorde aus sieben Kreisen besteht, die so
nebeneinander liegen, daß die Mittelpunkte der den mittleren Kreis umgebenden sechs
Kreise ein gleichseitiges Sechseck bilden.
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Die in der Fig. 4 gezeigte verdrillte Elektrode 4 besteht aus einem
Kerndraht 4a und vierzehn Drähten 4b bis 4O mit einander gleichem Ouerschnitt, der
jedoch kleiner als der Querschnitt des Kerndrahtes 4a ist, und die wendelförmig
um diesen Kerndraht gewickelt sind, so daß der Querschnitt dieser Elektrode aus
fünfzehn Kreisen besteht, die so einander zugeordnet sind, daß die Mittelpunkte
der vierzehn Kreise den mittleren Kreis in Form eines gleichseitigen Polygons umgeben.
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Obwohl nur vier Ausführungsformen der verdrillten Elektrode gemäß
der vorliegenden Erfindung beschrieben und dargestellt worden sind ist die Anzahl
der äußeren Drähte, die wendelförmig um einen Kerndraht gewickelt sind, nicht durch
die Bedingung begrenzt, daß die äußeren
Drähte im Querschnitt einander
gleich sind, und daß der Querschnitt der verdrillten Elektrode aus Kreisen besteht,
die so einander zugeordnet sind, daß die Mittelpunkte der äußeren Kreise den mittleren
Kreis in Form eines gleichseitigen Polygons umgeben.
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Die verdrillte Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung hat die
folgenden Vorteile 1) Da die Drähte einander linienförmig berühren, ist die Wärmeleitung
von einem Draht zum anderen weitgehend nahe Null. Wenn die verdrillte Elektrode
gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Fülldraht verwendet wird, wird daher jeder
Draht weitgehend unabhängig von den anderen Drähten geschmolzen und daraus folgt,
daß Wärmeverluste an der Schmelzstelle verhindert werden.
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Dies macht es möglich, mit einer relativ kleinen Menge zugeführter
Wärme zu schweißen. Wenn die verdrillte Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung
als eine sich verbrauchende Elektrode verwendet wird, bewirkt der Temperaturanstieg
durch den Innenwiderstand eines jeden Drahtes eine höhere Schmelzrate und eine niedrigere
kritische Stromintensität.
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2) Solange als die verdrillte Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung
einen Winkel zur Oberfläche der Schmelzstelle bildet, werden die Spitzen der Drähte,
die
entweder wendelförmig miteinander verdrillt oder wendelförmig um einen Kerndraht
herum gewickelt sind, nach und nach mit der Schmelzstelle in Berührung und außer
Kontakt gebracht, so daß einerseits verhindert wird, daß die Drähte sich überheizen
und andererseits an der Schmelzstelle Wärmeverlust auftritt.
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3) Die verdrillte Konstruktion verleiht den Drähten eine hohe Flexibilität.
Da sie frei von plastischen Deformationen oder Knickstellen sind, die durch die
Lagerung auf einer Walze oder die Zufuhr durch ein flexibles Kabel verursacht würden,
ist eine Einrichtung zum Geraderichten der Drähte nicht erforderlich. Da die Spitze
der Elektrode kaum aus ihrer Position gelangt, kann die Elektrode der Schmelzstelle
auf stabile Art und Weise zugeführt werden.
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4) Da die Komponenten, aus denen jeder Draht zusammengesetzt ist,
von denen jeden anderen Drahtes verschieden sein können, erlaubt die vorliegende
Erfindung eine leichte und billige Steuerung der Legierungskomponenten.
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5) Bei einem einzigen massiven Draht wird üblicherweise an dessen
Spitze ein Tropfen ausgebildet, wenn der Drahtvorschub zeitweilig aussetzt. Die
verdrillte Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung ist weitgehend frei von einer
derartigen Tropfenausbildung.
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6) Sehr viel weniger ausgebildete Berührungsflächen zwischen der verdrillten
Elektrode gemäß der vorliegen-
den Erfindung und der Innenfläche
des flexiblen Führungskabels erlauben eine stabile Zufuhr der Elektrode. Wenn die
verdrillte Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung als eine sich verbrauchende
Elektrode verwendet wird, befinden sich die Außenkanten der Umfangsdrähte in linienförmigem
Kontakt mit der Innenfläche des Schweißbrenners oder Elektrodenhalters, so daß deren
Abrieb durch Reibung mit den Drähten weitgehend reduziert wird, während stabile
elektrische Kontaktflächen gebildet werden, um so einen kontinuierlichen Lichtbogen
aufrechterhalten zu können.
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