CH630547A5 - Verfahren zum elektroschlackeschweissen von metallen. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches Verfahren der Schweisstechnik wird insbesondere beim Elektroschlackeschweissen von Halbzeug mit 20 grossem Querschnitt an der Schweissstelle, vor allem bei einer Dicke der Schweissnaht, die grösser als 30 mm ist, angewendet. Die Erfindung kann insbesondere erfolgreich beim Schweissen von Metallen verwendet werden, deren Dichte kleiner ist als die Dichte der zu ihrer Schweissung verwen-25 deten Flussmittel.
Insbesondere kann die Erfindung in Betrieben der chemischen, metallurgischen, elektrotechnischen Industrie und in anderen Industriezweigen beim Schweissen von Halbzeug mit grossem Querschnitt aus Aluminium, Titan, Kupfer und 30 deren Legierungen sowie aus Magnesiumlegierungen und verschiedenen Stählen erfolgreich angewendet werden.
Es ist zur Zeit eine Tendenz erkennbar, technologische Prozesse durch eine Steigerung der Leistung von einzelnen Aggregaten zu intensivieren. Dies ist für die Prozesse der elektrolytischen Gewinnung von Aluminium, Chlor und anderen Werkstoffen kennzeichnend, wo es notwendig ist, den technologisch bedingten Stromverbrauch erheblich zu erhöhen. Das erfordert die Anwendung von stromzuführenden Elementen in Form massiver Aluminiumschienen mit einer 40 Metalldicke von 160 mm und mehr in der konstruktiven Ausführung. In diesem Fall ist die Qualität der Schweiss-nahtverbindungen von grosser Bedeutung. Eine ähnliche Lage ist auch für Konstruktionen aus anderen Metallen in anderen Zweigen der Technik kennzeichnend.
In diesem Zusammenhang ist der Verbrauch an Metall grosser Dicke bei der Herstellung von Schweisskonstruk-tionen erheblich angestiegen.
Es ist allgemein bekannt, dass zum Schweissen von Alu-50 minium, Magnesium, deren Legierungen und anderen Metallen bei grosser Dicke verschiedene Verfahren zum Licht-bogenschweissen in mehreren Lagen angewendet werden. Mit der Vergrösserung der Dicke des zu schweissenden Metalls vermindert sich jedoch die Leistung der Schweissar-55 beiten und die Qualität der Schweissverbindungen beim Schweissen mittels Lichtbogenverfahren erheblich. Das ist durch das obligatorische Reinigen jeder Auftragsschicht vor dem nachfolgenden Schweissdurchgang bedingt. Das Licht-bogenschweissen in mehreren Lagen erfordert ausserdem 60 das mehrfache Kanten der Schweissstelle zur Aufrechterhaltung der geometrischen Form dieser Schweissteile. Schliesslich kommt bei diesem Schweissverfahren in den meisten Fällen eine Anisotropie der Eigenschaften des Nahtmetalls vor.
65 In diesem Zusammenhang ist das Problem des Schweis-sens von Bauelementen aus Metallen, wie z.B. Magnesium, Aluminium, deren Legierungen und anderen Metallen, bei grosser Dicke unter Gewährleistung einer hohen Leistung
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der Schweissarbeiten und Qualität der Schweissverbindun-gen aktuell geworden.
Eine gute Lösung in diesem Sinne ist beispielsweise das aus der US-PS 3 885 121 und der DE-PS 1 917 861 bekannte Verfahren. Dieses Verfahren zum Elektroschlackeschweissen von Metallen wird in der Regel durch eine Formulierungseinrichtung durchgeführt, die eine Eingangstasche für den Beginn des Schweissvorganges, Herausführungsleisten zum Herausführen des Lunkers und des Schlackebades aus dem Spalt sowie Seitenkokillen aufweist. Die Eingangstasche für den Beginn des Schweissvorganges wird unter dem Spalt der zu schweissenden Kanten und die Herausführungsleisten werden über dem Spalt angeordnet. In der Tasche wird ein Schlackebad angemacht, dann wird darin eine Elektrode von oben nach unten eingeführt. Das schmelzflüssige Metall bildet dabei, indem es auf den Boden des Schlackenbades sinkt, eine Schweissnaht in Richtung von unten nach oben aus. Das Aufschmelzen der Elektrode erfolgt durch die Wärme des Schlackenbades, durch das ein Schweissstrom fliesst.
Die bekannten Verfahren zum Elektroschlackenschweis-sen sind jedoch nur für diejenigen Metalle geeignet, deren Dichte die Dichte des Schweissflussmittels erheblich übersteigt. Zum Schweissen von Leichtmetallen sind diese bekannten Verfahren deshalb ungeeignet, weil das schmelzflüssige Metall beim Schweissen infolge seiner kleineren Dichte gegenüber der Dichte der Schlacke an die Oberfläche des Schlackenbades kommt. Dadurch wird die Stabilität des Prozesses gestört, der Prozess wird von Kurzschlüssen und unerwünschten Erscheinungen begleitet. Das macht sich insbesondere bemerkbar beim Elektroschlackeschweissen von Aluminium und seinen Legierungen, die eine relativ kleine Dichtedifferenz im Vergleich zu den Schweissflussmitteln aufweisen. Ein weiterer Nachteil ist es, dass sich bestimmte Metalle, wie z.B. Magnesium und seine Legierungen, mittels der bekannten Verfahren zum Elektroschlackeschweissen überhaupt nicht schweissen lassen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Elektroschlackeschweissen von Metallen anzugeben, deren Dichte kleiner als die Dichte der Schweissflussmittel ist.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet das Elektroschlackeschweissen von Leichtmetallen, von denen hier insbesondere Magnesium und seine Legierungen genannt werden sollen. Durch das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich beim Schweissen eine hohe Leistung bei guter Qualität der Schweissverbindungen erzielen.
Es ist zweckmässig, die Elektrode im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten unbeweglich anzuordnen, den Spalt mit dem Schweissflussmittel zu füllen und den Schweissvorgang mit dem Erzeugen des Schlackenbades im Bereich des oberen Teils der Elektrode zu beginnen, wobei das Volumen der Elektrode gleich dem Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten gewählt wird. Dadurch wird das Schweissen von ungeraden Stössen unter Verwendung einer unbeweglichen Abschmelzelektrode, die eine dem Spaltprofil entsprechende Form aufweist, ermöglicht. Ferner kann in diesem Fall auf einen Vorschubmechanismus verzichtet werden, wodurch der apparative Aufwand zur Durchführung des Verfahrens vereinfacht wird.
Es ist auch möglich, das Schweissen mit Zuführung der Abschmelzelektrode von unten nach oben im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten durchzuführen. Eine solche Methode gestattet es, die technologischen Möglichkeiten des Schweissens zu erweitern, so ist es z. B. möglich, das Elektroschlackeschweissen bei Baugruppen anzuwenden, die keinen
Zugang von oben haben, wodurch sich die Montagearbeiten erleichtern lassen.
Es ist vorteilhaft, den sich im Schweissprozess bildenden Schlackenüberschuss aus dem Spalt zwischen den zu ver-schweissenden Kanten herauszuführen. Durch eine solche Ausgestaltung lässt sich die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Apparatur beim Schweissen von Stössen kleiner Länge einfach ausführen.
Es ist vorteilhaft, das Schlackenbad im Schweissprozess von oben nach unten zu bewegen. Eine solche Methode ermöglicht das Schweissen gradliniger Stösse bei einer grossen Länge unter Aufrechterhaltung eines praktisch konstanten Volumens des Schlackenbades und gestattet darüberhinaus, Schweissgut einzusparen.
Vorzugsweise kann im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten eine Abschmelzelektrode angeordnet werden, worauf der Spalt mit dem Schweissflussmittel, welches ein zerkleinertes Zusatzmetall enthalten kann, gefüllt werden kann. Durch eine solche Ausgestaltung lassen sich Stösse bei einem geringen Verbrauch an Elektroden schweissen, und das Legieren des Nahtmetalles durch die Einführung von Legierungselementen in das Flussmittel wird ermöglicht. Es ist vorteilhaft, im unteren Teil des Spaltes zwischen den zu schweissenden Kanten ein abschmelzendes Mundstück unbeweglich anzuordnen, durch welches dem Schlackenbad die Elektrode zugeführt wird. Diese Ausgestaltung gestattet es, den Schweissstrom der unmittelbar im Schlackenbad befindlichen Elektrode in Form eines Drahtes zuzuführen, wodurch eine Energieeinsparung ermöglicht wird.
Es ist auch vorteilhaft, im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten ein nichtabschmelzendes Mundstück unbeweglich anzuordnen, durch welches die Elektrode dem Schlackenbad zugeführt wird. Eine solche Methode gestattet es, das Schweissen von Elementen unter intensiver Wärmeabfuhr durchzuführen, wodurch ein sicheres Durch-schweissen der zu schweissenden Kanten gewährleistet ist.
Vorzugsweise kann eine nichtabschmelzende Elektrode im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten angeordnet werden, und dem Schlackenbad kann Zusatzmetall zugeführt werden, das mit der Schweissstromquelle verbunden ist. Durch eine solche Ausgestaltung wird es möglich, je nach dem Zusatzmetall entweder die Schweissleistung zu steigern oder die Schweissnaht zu legieren.
Es ist auch möglich, dass der Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten mit Schweissflussmittel gefüllt wird und der Vorgang mit dem Eingiessen einer Menge von schmelzflüssiger Schlacke auf den oberen Teil des Schweissflussmittels begonnen wird. Dadurch wird der Beginn des Elektroschlackeprozesses durch Einsparung einer Ausrüstung zum Erzeugen des Schlackenbades vereinfacht.
Es ist zweckmässig, die Dichte der Schlacke entsprechend der folgenden Abhängigkeit zu wählen:
Y Schlacke =
E —
Yi
Hierin bedeuten:
Y Schlacke Dichte der Schlacke;
ki Prozentgehalt von Flussmittelkomponenten,
Yi Dichte der Flussmittelkomponenten.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine rationelle Auswahl des Flussmittels für das Schweissen eines bestimmten Metalls.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes an Hand der Zeichnungen näher er5
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läutert. Gleiche Teile sind in den verschiedenen Fig. jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung zum Elektroschlackeschweissen in schematischer Darstellung,
Fig. 2 eine Anordnung in schematischer Darstellung als Beispiel für das Schweissen bei ortsfester Anordnung eines Untersatzes und einer abschmelzenden Plattenelektrode, am Beginn des Prozesses,
Fig. 3 eine Anordnung nach der Fig. 2, jedoch während des gleichmässig ablaufenden Prozesses,
Fig. 4 eine Anordnung wie in den Fig. 2 und 3, jedoch am Ende des Schweissprozesses,
Fig. 5 eine Anordnung in schematischer Darstellung als Beispiel für das Schweissen bei ortsfester Anordnung des Untersatzes, wobei die abschmelzende Plattenelektrode durch den Untersatz zugeführt wird, am Beginn des Prozesses,
Fig. 6 eine Anordnung nach der Fig. 5, jedoch bei Beendigung des Prozesses,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Anordnung als Beispiel für das Schweissen bei einer Anordnung des Untersatzes im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten mit der Möglichkeit einer vertikalen Bewegung des Untersatzes und mit einer abschmelzenden Plattenelektrode, die durch eine im Untersatz vorhandene Öffnung zugeführt wird, am Beginn des Prozesses,
Fig. 8 eine Anordnung nach der Fig. 7, jedoch bei Beendigung des Prozesses,
Fig. 9 eine Schnittansicht nach der Linie IX-IX in der Fig. 7 mit der Darstellung des Untersatzes mit einem Durchgangsloch zur Zuführung der Plattenelektrode, jedoch ohne die Plattenelektrode,
Fig. 10 eine Anordnung ähnlich derjenigen nach der Fig. 9, jedoch mit der Möglichkeit, die Elektrode in Form eines Drahtes durch den Untersatz zuzuführen,
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Anordnung als Beispiel für das Schweissen unter Verwendung eines abschmelzenden Mundstückes, über das eine drahtartige Elektrode zusätzlich zugeführt wird,
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Anordnung als Beispiel für das Schweissen unter Verwendung eines nichtabschmelzenden Mundstückes, durch das eine drahtartige Elektrode zugeführt wird,
Fig. 13 eine schematische Darstellung einer Anordnung als Beispiel für das Schweissen mit einer nichtabschmelzenden Elektrode mit Zuführung von Zusatzmetall in Drahtform zum Schlackenbad und
Fig. 14 eine Schnittansicht nach der Linie XIV-XIV nach der Fig. 13 mit der Darstellung eines Untersatzes mit Durchgangslöchern für die nichtabschmelzende Elektrode und die Zuführung des Zusatzmetalls in Drahtform.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele des Verfahrens beziehen sich auf das Elektroschlackeschweissen von Leichtmetallen, d.h. von Metallen, deren Dichte kleiner als die Dichte der Schweissflussmittel ist.
Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens weist Teile 1, deren Kanten zu schweissen sind, eine von unten zugeführte Elektrode 2, einen auftauchenden Tropfen 3 eines schmelzflüssigen Metalls, Schlacke 4 und ein Metallbad 5 auf. Das Verfahren beruht grundsätzlich auf dem Aufschmelzen der zu schweissenden Kanten der Teile 1 sowie der Elektrode 2, dem Auftauchen der Tropfen 3 des schmelzflüssigen Metalls in der eine grössere Dichte aufweisenden Schlacke 4 unter Bildung auf der Oberfläche der letzteren eines Metallbades 5 und der Bildung der Schweissnaht in Richtung von oben nach unten.
Das vorliegende Verfahren wird mit Hilfe einer Formierungseinrichtung durchgeführt. Die Formierungseinrichtung weist eine Eingangstasche 6 (Fig. 2), in deren Deckel 7 Öffnungen 8 zur Zuführung eines Schutzgases vorgesehen sind, Herausführungsleisten 9, einen Untersatz 10 und Seitenkokillen 11 auf.
5 Der Spalt zwischen den Kanten der Schweissteile 1 wird durch die Formierungseinrichtung umfasst. Zu diesem Zweck werden die Eingangstasche 6 auf den Schweissteilen 1 über dem Spalt, die Herausführungsleisten 9 unter dem Spalt und die Kokillen 11 beiderseits des Spaltes angeordnet. Zum io Halten des Schweissbades, d.h. des Schlacken- und Metallbades, wird der Untersatz 10 verwendet. Im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten wird die Elektrode 2 angeordnet. An die Eingangstasche 6 und die Elektrode 2 wird eine Schweissstromquelle (nicht gezeigt) angeschaltet. In der Ein-15 gangstasche 6 wird das Schlackenbad 4 erzeugt, wodurch es ein Strom durchfliesst. Unter Einwirkung des Schweiss-stromes wird das Schlackenbad überhitzt und schmilzt die zu schweissenden Kanten der Teile 1 und die Elektrode 2 auf. Die Tropfen 3 des schmelzflüssigen Metalls kommen an die 20 Oberfläche der Schlacke, die eine grössere Dichte als das Metall aufweist, und bilden darauf das Metallbad 5. Die Schweisselektrode 2 wird beim Schweissen in Richtung von oben nach unten abgeschmolzen, und die Schweissnaht wird in Richtung von oben nach unten ausgebildet. Zur Verhin-25 derung der Witterungseinwirkungen wird das Metallbad 5 durch die Zuführung von Schutzgasen an seine Oberfläche geschützt.
Auf diese Weise ist eine Möglichkeit gegeben, das Schweissen von Leichtmetallen mit einer hohen Leistung 30 und Qualität durchzuführen.
Nach einer Variante der Erfindung wird der Untersatz 10 (Fig. 2) der Formierungseinrichtung unter den Herausführungsleisten 9 ortsfest angeordnet. Die Elektrode 2 wird im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten der Teile 1 un-35 beweglich angeordnet. Der Spalt wird mit einem Flussmittel 12 gefüllt. Das Volumen der Elektrode 2 wird dabei gleich dem Rauminhalt gewählt, der durch die zu schweissenden Kanten der Teile 1 und die Elemente der Formierungseinrichtung begrenzt ist, und das Volumen des Schweissfluss-40 mittels 12 wird so gewählt, dass es nach dem Aufschmelzen und der Erstarrung unter Berücksichtigung einer Schrumpfung den Raum zwischen den Herausführungsleisten 9 einnimmt. An die Schweisselektrode 2 und an die Eingangstasche 6 wird eine Schweissstromquelle (nicht gezeigt) ange-45 schaltet. Man beginnt den Schweissprozess durch die Erzeugung des Schlackenbades 4 im oberen Teil der Elektrode 2. Der Schweissstrom, indem er über das erzeugte Schlak-kenbad 4 fliesst, überhitzt es, wodurch die zu schweissenden Kanten der Teile 1 und die Elektrode 2 abgeschmolzen wer-50 den. Die Tropfen 3 (Fig. 3) des schmelzflüssigen Metalls kommen an die Oberfläche der Schlacke 4, die eine grössere Dichte als das Metall aufweist, und bilden darauf das Metallbad 5, das erstarrt und die Schweissnaht bildet. Da das Volumen der verwendeten Elektrode dem Volumen des 55 Spaltes gleich ist, wird der letzte völlig mit dem schmelzflüssigen Metall 5 gefüllt. Nach der Beendigung des Prozesses wird das Metallbad 5 (Fig. 4) auf einem erforderlichen Stand durch das Schlackenbad 4 gehalten, dessen Volumen dem Rauminhalt entspricht, der durch die Herausführungsleisten 60 9 und die Kokillen 11 begrenzt ist. Es ist zweckmässig, die beschriebene Variante zum Schweissen von gewölbten Stössen einer kleinen Länge anzuwenden. Es wird dabei der Schweisselektrode 2 die dem Profil des Spalts entsprechende Form gegeben.
65 Nach einer anderen Variante des Verfahrens wird das Schweissen durch die Zuführung der Abschmelzelektrode durch die Öffnung im Untersatz durchgeführt. Die Elektroden können verschiedene Form aufweisen, dabei wird im
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Untersatz je nach der Form der Elektrode eine Öffnung entsprechender Form ausgeführt, zum Beispiel beim Schweissen mit einer Plattenelektrode wird im Untersatz 10 (Fig. 9) eine rechtwinklige Öffnung 13 und beim Schweissen mit einer Drahtelektrode eine runde Öffnung 14 (Fig. 10) ausgeführt.
Bei solch einer Durchführung des Verfahrens kann der Untersatz unter den Herausführungsleisten (Fig. 5,6) ortsfest angeordnet werden, oder er kann im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten in vertikaler Richtung bewegbar angeordnet werden (Fig. 7, 8).
Im Fall der ortsfesten Anordnung des Untersatzes 10 (Fig. 5) werden die Schweissteile 1 an der Schweissstelle derselben mit der Formierungseinrichtung umfasst. Die Schweisselektrode 15 wird durch die Öffnung im Untersatz von unten im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten angeordnet. Der von der Formierungseinrichtung und den Kanten der Schweissteile 1 begrenzte Raum wird mit der schmelzflüssigen Schlacke 4 gefüllt, d.h. es wird ein Schlak-kenbad erzeugt und der Schweissstrom durch das Anschalten der Schweissstromquelle an die Elektrode 15 und an die Eingangstasche 6 zugeführt. Beim Stromdurchgang durch das Schlackenbad 4 wird die Schlacke überhitzt, was ein Abschmelzen der zu schweissenden Kanten der Teile 1 hervorruft. Die Tropfen 3 des schmelzflüssigen Metalls kommen an die Oberfläche der Schlacke 4, die eine grössere Dichte als das Metall aufweist, und bilden auf der Oberfläche der Schlacke das Metallbad 5. Je nach dem Abschmelzen der Elektrode 15 wird sie dem Schlackenbad 4 ununterbrochen von unten nach oben zugeführt. Da das Gesamtvolumen des Schweissbades während des Schweissvorganges konstant gehalten werden muss, wird der Schlackenüberschuss 4 aus dem Spalt über einen Kanal 16 in dem Masse entfernt, wie sich das Volumen des Metallbades 5 (Fig. 6) vergrössert.
Eine solche Durchführung des Verfahrens bedarf keiner komplizierten Ausrüstung.
Im Fall der Anordnung des Untersatzes 17 (Fig. 7) mit der Möglichkeit einer vertikalen Bewegung desselben wird er am oberen Teil des Spaltes zwischen den zu schweissenden Kanten der Teile 1 angeordnet. Die Schweissteile 1 werden an der Stelle ihres Schweissens von der Formierungseinrichtung umfasst. Die Schweisselektrode 15 wird durch die Öffnung im Untersatz 17 im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten von unten nach oben angeordnet, das obere Ende der Elektrode 15 wird dabei im Hohlraum der Eingangstasche 6 untergebracht. Der Hohlraum der Eingangstasche 6 wird mit der schmelzflüssigen Schlacke 4 gefüllt. Durch das Anschalten der Schweissstromquelle (nicht gezeigt) an die Elektrode 15 und an die Eingangstasche 6 wird der Schweissstrom zugeführt. Während des Stromdurchgangs durch das Schlackenbad 4 wird die Schlacke überhitzt, was ein Abschmelzen der Elektrode und der zu schweissenden Kanten der Teile 1 hervorruft. Die Tropfen 3 des schmelzflüssigen Metalls, da sie eine kleinere Dichte als die Schlacke aufweisen, kommen an die Oberfläche der Schlacke und bilden darauf das Metallbad 5. Je nach dem Abschmelzen der Elektrode 15 wird sie ununterbrochen von unten nach oben ins Schlackenbad 4 zugeführt. Da die Oberfläche des Metallbades 5 beim Schweissen auf einem konstanten Stand bleiben soll und das Volumen des Schlackenbades 4 praktisch unverändert bleibt, wird der Untersatz während einer Volumenzunahme des Metallbades 5 im Spalt ununterbrochen in Richtung von oben nach unten bewegt. In der Abschlussstufe des Prozesses wird der Untersatz 17 (Fig. 8) im durch die Herausführungsleisten 9 und die Kokillen 11 begrenzten Raum nach unten bewegt, bis das Schlak-kenbad 4 und ein gewisses Volumen des Metallbades 5, in dem bei der Erstarrung der Naht ein Lunker gebildet werden kann, völlig aus dem Spalt herausgeführt werden. Es empfiehlt sich, einen solchen Arbeitsgang beim Schweissen geradliniger Stösse einer grossen Länge durchzuführen.
Nach noch einer anderen Variante der Erfindung wird im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten der Teile 1 die 5 abschmelzende Schweisselektrode 2 (Fig. 2, 3 und 4) angeordnet, und der Spalt wird mit dem Schweissflussmittel 12 gefüllt, das ein zerkleinertes Zusatzmetall (nicht gezeigt) enthält. In diesem Fall wird je nach dem Abschmelzen der Elektrode 2 und des Flussmittels 12 das im Flussmittel 12 enthal-io tene Zusatzmetall aufgeschmolzen.
Die Tropfen 3 des Zusatzmetalls tauchen in der Schlacke, die eine grössere Dichte als das Metall aufweist, auf, vereinigen sich mit dem schmelzflüssigen Metall der Elektrode 2 und der zu schweissenden Kanten der Teile 1 und bilden ein i5 gemeinsames Metallbad 5. Je nach der Art des Zusatzmetalls ist es möglich, entweder die Leistung des Schweissens zu steigern oder ein Legieren der Naht durchzuführen. Im Falle des Legierens der Naht ist es notwendig, Legierungskomponenten mit einer Dichte, die kleiner als die Dichte der Schlacke 20 ist, einzusetzen.
Gemäss noch einer anderen Variante des Verfahrens wird unter den Herausführungsleisten 9 (Fig. 11) der Untersatz 10 ortsfest angeordnet. Durch die Öffnung des Untersatzes 10 wird ein abschmelzendes Mundstück 18 in den 25 Spalt zwischen den Schweissteilen 1 eingeführt und feststehend angeordnet. Der Spalt wird mit dem Schweissflussmittel 12 gefüllt, auf dessen Oberfläche eine Menge an der schmelzflüssigen Schlacke 4 eingegossen wird. Das abschmelzende Mundstück 18 hat longitudinale Löcher (nicht 30 gezeigt), durch die dem Schlackenbad 4 die Elektrode in Form eines Drahtes 15 zugeführt wird. Die Schweissstromquelle (nicht gezeigt) wird an das abschmelzende Mundstück 18 und an die Eingangstasche 6 angeschaltet. Während des Schweissens werden das abschmelzende Mundstück 18, die 35 Elektrodendrähte 15 und die zu schweissenden Kanten der Teile 1 aufgeschmolzen. Die Tropfen 3 des schmelzflüssigen Metalls kommen an die Oberfläche der Schlacke 4, die eine grössere Dichte als das Metall aufweist, und bilden darauf das Metallbad 5. Das Volumen des Schweissflusses 12 wird 40 dabei so ausgewählt, dass es nach dem Schmelzen und der Erstarrung unter Berücksichtigung einer Schrumpfung den Raum zwischen den Herausführungsleisten 9 einnimmt. Es empfiehlt sich, die beschriebene Variante beim Schweissen von gewölbten Stössen anzuwenden. In diesem Fall soll die 45 Form des Mundstücks dem Profil des Spaltes zwischen den zu schweissenden Kanten entsprechen.
Gemäss einer anderen Variante der Erfindung wird am oberen Teil des Spaltes zwischen den zu schweissenden Kanten der Teile 1 (Fig. 12) der Untersatz 17 so angeordnet, dass so er in vertikaler Richtung bewegbar ist. Ein nichtabschmelzendes Mundstück 19 wird durch die Öffnung im Untersatz 17 in den Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten eingeführt und befestigt. Das obere Ende des Mundstückes 19 wird dabei im Hohlraum der Eingangstasche 6 angeordnet. 55 Das Mundstück 19 hat longitudinale Löcher (nicht gezeigt), durch die die Elektrode in Form eines Drahtes 15 von unten nach oben zugeführt wird. Der Hohlraum der Eingangstasche 6 wird mit der schmelzflüssigen Schlacke 4 gefüllt. Der Schweissstrom wird durch das Anschalten der Schweiss-60 Stromquelle (nicht gezeigt) an das nichtabschmelzende Mundstück 19 und an die Eingängstasche 6 zugeführt. Je nach dem Abschmelzen der Drähte 15 werden sie ununterbrochen von unten nach oben dem Schlackenbad 4 zugeführt. Da die Oberfläche des Metallbades 5 während des 65 Schweissens auf einem konstanten Stand bleiben soll und der Rauminhalt des Schlackenbades 4 praktisch unverändert bleibt, wird der Untersatz 17 zusammen mit dem nicht-abschmelzenden Mundstück 19 ie nach der Volumenzunah-
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me des Metallbades 5 im Spalt in Richtung von oben nach unten bewegt. Der Prozess wird fortgesetzt, bis der Spalt mit dem schmelzflüssigen Metall 5 völlig ausgefüllt und das Schlackenbad 4 aus dem Spalt herausgeführt wird.
Bei solch einer Variante des Verfahrens wird ermöglicht, den Schweissstrom der Elektrode unmittelbar im Schlackenbad zuzuführen, wodurch eine Elektroenergieeinsparung erzielt wird. Es empfiehlt sich ausserdem, das Verfahren in dieser Variante beim Schweissen der Nähte einer grossen Länge anzuwenden.
Gemäss noch einer Variante des Verfahrens wird am oberen Teil des Spaltes zwischen den zu schweissenden Kanten der Teile 1 (Fig. 13,14) der Untersatz 17 so angeordnet, dass er in vertikaler Richtung bewegbar ist. Der Untersatz hat die Öffnung 13 zum Anordnen darin einer nichtab-schmelzenden Elektrode 20 sowie Öffnungen 21 zur Zuführung dem Spalt des Zusatzmetalls in Form von Drähten 22. Die nichtabschmelzende Elektrode 20 wird im Untersatz 17 befestigt, und durch die Öffnung 21 wird dem Spalt der Zusatzdraht 22 zugeführt. Der Hohlraum der Eingangstasche 6 wird mit der schmelzflüssigen Schlacke 4 gefüllt. Der Schweissstrom wird durch das Anschalten einer Schweissstromquelle (nicht gezeigt) an die nichtabschmelzende Elektrode 20 und an die Eingangstasche 6 zugeführt. Durch die Zusatzdrähte 22, die sich ausserhalb des Schweisskreises befinden, fliesst kein Strom. Beim Schweissen werden die Zusatzdrähte 22 je nach dem Abschmelzen ununterbrochen dem Schlackenbad 4 von unten nach oben zugeführt, und der Untersatz 17 wird im Spalt von oben nach unten bewegt, bis das Schlackenbad 4 aus dem Spalt völlig entfernt wird. Bei solch einer Variante des Verfahrens ist es möglich, durch die Regelung der pro m Nahtlänge verbrauchten Energie in weiten Grenzen das Schweissen von Bauelementen mit intensivem Wärmeleiten durchzuführen.
Bei einer Durchführung des Verfahrens in allen beschriebenen Varianten wird die Schlacke mit der erforderlichen Dichte aus folgender Abängigkeit ausgewählt:
» ,i i 100 Y Schlacke = —=
2Ï!_
ÏI
Hierin bedeuten:
Y Schlacke Dichte der Schlacke;
ki Prozentgehalt von Flussmittelkomponenten,
Yi Dichte der Flussmittelkomponenten.
Dies ermöglicht eine rationelle Auswahl des Flussmittels für das Schweissen eines bestimmten Metalls.
Das beschriebene Verfahren wird durch konkrete Beispiele seiner Durchführung erläutert.
Beispiel 1
Es wurde das Schweissen von Aluminiumschienen 1 (Fig. 2, 3 und 4) mit einem Querschnitt von 160 x 300 mm folgender chemischer Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) durchgeführt: Mn-0,01; Fe-0,02; Si—0,055; Cu-0,0045 und AI-Rest. Als Schweissflussmittel 12 wurde das Flussmittel folgender Zusammensetzung NaF-AlF3-CaF2-Si02 gemäss dem SU-Urheberschein Nr. 207 703 verwendet. Die Teile 1 mit Abmessungen 160 x 300 x 500 mm wurden auf die Herausführungsleisten 9 aufgestellt, die auf dem Untersatz 10 der Formierungseinrichtung befestigt sind. Im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten wurde die 160 mm breite Plattenelektrode 2 ortsfest angeordnet. Die Eingangstasche 6 der Formierungseinrichtung wurde über dem Spalt auf die Schweissteile 1 aufgestellt. Beiderseits der zu schweissenden Kanten wurden die Kokillen 11 befestigt. Die zu schweissenden Kanten wurden also von allen Seiten mit Elementen der Formierungseinrichtung geschlossen, was die Möglichkeit eines Heraus-fliessens des Schweissbades beim Schweissen ausschloss. Der 5 Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten wurde mit dem Schweissflussmittel 12 beschickt, das eine Kornfeinheit von 2 bis 10 mm aufwies. Man begann den Schweissprozess mit dem Eingiessen der schmelzflüssigen Schlacke 4 auf die Oberfläche des Flussmittels 12 und dem nachfolgenden An-io schalten einer Schweissstromquelle (nicht gezeigt) an die Elektrode 2 und die Eingangstasche 6. Das Auffüllen des Spaltes zwischen den zu schweissenden Kanten mit den Tropfen 3 der aufgeschmolzenen Schweisselektrode 2 und den abgeschmolzenen Kanten der Schweissteile 1 erfolgte 15 gleichzeitig mit dem ununterbrochen grösser werdenden Elektrodenabstand, d.h. dem Abstand zwischen der Plattenelektrode 2 und dem Metallbad 5. Nach dem vollständigen Aufschmelzen der Schweisselektrode 2 wurde der Prozess eingestellt. Nach der völligen Erstarrung der Naht wur-20 de die Formierungseinrichtimg von der Schweissverbindung abgenommen. Im Ergebnis wurde eine fehlerfreie Schweissnaht mit einem guten Umriss festgestellt. Für die Bildung von Schweissverbindungen wurde das Flussmittel folgender Zusammensetzung und folgender Schweissbetrieb verwen-25 det:
Schweissflussmittel (in Gewichtsprozenten)
Kryolith (Na3AlF6) 28%
CaF2 64% 3o Si02 8%
Flussmitteldichte: 3,12 g/cm3
Leerlaufspannung des Transformators: 44 V
Stromdichte an der Elektrode: 3-5 A/mm2
Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten: 50 mm
35 Dichte des zu schweissenden Metalls: 2,69 g/cm3
Beispiel 2
Es wurde das Schweissen der Teile 1 (Fig. 5 und 6) aus einer Magnesiumlegierung mit einer beweglichen Platten-40 elektrode bei der ortsfesten Anordnung des Untersatzes der Formierungseinrichtung durchgeführt. Die chemische Zusammensetzung des zu schweissenden Metalls betrag (in Gewichtsprozent):
AI 4,3%
45 Mn 0,4%
Zn 1,0%
Cu 0,02%
Mg Rest.
so Vor dem Beginn des Schweissvorganges wurden auf die Kanten der Schweissteile die Bauelemente der Formierungseinrichtung aufgestellt, der Spalt wurde an den Flanken mit zwei Kokillen 11 geschlossen, die Herausführungsleisten 9 und der Untersatz 10 mit einer Öffnung für die Zuführung 55 der Elektrode 15 wurden unten angeordnet und von oben wurde die Eingangstasche 6 befestigt. Die Bauelemente der Formierungseinrichtung wurden so angeordnet, dass das schmelzflüssige Schweissbad nicht herausfloss. Dies wurde durch die Anordnung einer Asbestpappe oder Asbestschnur 60 zwischen den in Berührung stehenden Flächen der Schweissteile 1 und der Formierungseinrichtung erzielt.
Nach dem Zusammenbau wurde in den Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten die Schweisselektrode 15 eingeführt, der Spalt wurde mit der schmelzflüssigen Schlacke 4 65 gefüllt und der Schweissstrom wurde eingeschaltet. Während des Aufschmelzens der Elektrode 15 und der zu schweissenden Kanten füllten die Tropfen 3 des schmelzflüssigen Metalls der Elektrode 15, die in den Spalt eingeführt wurde, und
7
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der Kanten der Schweissteile 1 den Spalt zwischen den Kanten auf. Nach dem Abschalten der Stromquelle vom Schweisskreis erfolgte die Erstarrung des Nahtmetalls und die Festigung der Schweissverbindung. Die Formierungseinrichtung wurde nach der Erstarrung der Naht von der Schweissverbindung abgenommen. Diesen Qualitäts-schweissverbindungen lagen folgende Daten zugrunde:
Schweissflussmittel (in Gewichtsprozenten)
Kryolith (Na3AlF6)
28%
CaF2
64%
Si02
8%
Dichte des zu schweissenden Metalls:
1,7 g/cm3
Flussmitteldichte:
3,12 g/cm3
Querschnitt der Schweissteile:
57 x 110 mm
Leerlaufspannung des Transformators:
40 V
Stromdichte:
3,0 A/mm2
Spalt zwischen den zu schweissenden
Kanten:
56 mm
Geschwindigkeit der Zuführung der
Elektrode
90 m/Std.
Beispiel 3
Es wurde das Schweissen von technischem Titan mit einem Querschnitt von 60 x 500 mm unter Anwendung des beweglichen Untersatzes 17 (Fig. 7, 8) und der Plattenelektrode 15, die in Richtung von unten nach oben bewegt wird, durchgeführt. Die Elektrode 15 wurde in das Schlackenbad 4 durch eine Öffnung im Untersatz 17 vorgeschoben.
Die Schweissteile 1 wurden auf den Herausführungsleisten 9 der Formierungseinrichtung auf solche Weise angeordnet, dass der sich von oben nach unten bewegende Untersatz 17 am Ende des Schweissvorganges eine Stellung unterhalb der zu schweissenden Kanten eingenommen hat. Die Eingangstasche 6 wurde auf die zu schweissenden Kanten aufgestellt. In der Eingangstasche 6 wurde der Untersatz 17 so angeordnet, dass er sich nachher nach unten in den Spalt herausführen Hess. Durch die Öffnung im Untersatz 17 wurde die Plattenelektrode 15 im Spalt angeordnet.
Man begann das Schweissen mit dem Eingiessen der schmelzflüssigen Schlacke 4 in die Eingangstasche 6. Dann wurde die Stromquelle eingeschaltet. Die Elektrode 15 wurde dem Schlackenbad 4 durch die Öffnung im Untersatz 17 mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die erforderlich ist, um den Elektrodenabstand konstant zu halten. Beim Schweissen wurde der Untersatz 17 nach unten in den Spalt mit gleichzeitiger Zuführung der Plattenelektrode 15 nach oben bewegt. Die gegenseitige Bewegung des Untersatzes 17 und der Elektrode 15 ermöglichte es, das Volumen des Schlackenbades 4 konstantzuhalten.
Den qualitativ hochwertigen Schweissverbindungen lagen die nachfolgend aufgeführten Daten zugrunde:
Schweissflussmittel (in Gewichtsprozenten)
Kryolith
5%
PbCl2
70%
CaF2
5%
BaF2
20%
Dichte des zu schweissenden Metalls:
4,5 g/cm3
Flussmitteldichte:
5,16 g/cm3
Leerlaufspannung des Transformators:
36 V
Stromdichte an der Elektrode:
4,0 A/mm2
Bewegungsgeschwindigkeit der Platten elektrode
90 m/Std.
Querschnitt der Schweissteile:
60 x 500 mm
Schweisszeit:
2,5 Min.
Beispiel 4
Dem Schweissen wurde eine bildsame Legierung auf der Basis von Aluminium, die durch keine Wärmebehandlung gehärtet wurde, folgender chemischer Zusammensetzung un-5 terzogen:
Mg
Mn
Si
Fe
Ti
Cu
Al
(in Gewichtsprozenten) 6,29% 0,56% 0,01% 0,01% 0,05% 0,01% Rest.
nicht mehr als nicht mehr als nicht mehr als
Als Flussmittel wurde ein Schlackensystem, bestehend aus folgenden Komponenten:
NaF-AlF2-CaF2-Si02 gemäss dem SU-Urheberschein Nr. 207 703 verwendet.
20 Im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten wurde das abschmelzende Mundstück 18 angeordnet, das in axialer Richtung aus zwei je eine Längsnut aufweisenden Teilen bestand. Durch die Verbindung dieser Teile wurde das Mundstück 18 mit Längskanälen gebildet, die für die Einführung 25 durch das Mundstück der Elektrode 15 in Drahtform bestimmt waren. Die Schweissteile 1 wurden an ihrer Schweissstelle von der Formierungseinrichtung umfasst. Der Untersatz 10 wurde dabei ortsfest unter dem Spalt angeordnet. Das abschmelzende Mundstück 18 wurde in den Spalt zwi-30 sehen den zu schweissenden Kanten durch die Öffnung im Untersatz 10 eingeführt. In die Kanäle des abschmelzenden Mundstücks 18 führte man die Elektrodendrähte 15 ein. Nach der Durchführung der genannten Arbeitsgänge wurden die Bauelemente der Formierungseinrichtung und die 35 Schweissteile durch die Abdichtung der Spalte zwischen ihnen mit Asbest dicht verbunden. Der Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten wurde mit dem Schweissflussmittel 12 beschickt. Das abschmelzende Mundstück 18 wurde an den einen Pol der Stromquelle (nicht gezeigt) und die Eingangs-40 tasche 6 an den anderen Pol angeschaltet. Man begann den Schweissvorgang mit dem Eingiessen der schmelzflüssigen Schlacke 4 auf die Oberfläche des Flussmittels 12, mit dem der Spalt beschickt worden ist. Nach dem Eingiessen der Schlacke 4 wurde der Schweisskreis eingeschaltet. Der 45 Schweissvorgang wurde nach Anzeigen des Spannungs- und Strommessers bei folgendem Schweissbetrieb geprüft.
Nachfolgend sind die entsprechenden Daten aufgeführt:
Schweissflussmittel (in Gewichtsprozenten)
so Kryolith 28%
CaF2 64% Si02 8%
Flussmitteldichte: 3,12 g/cm3
Leerlaufspannung des Transformators: 44 V
55 Stromdichte an der Elektrode: 4,0 A/mm2
Querschnitt der zu schweissenden Teile: 50 x 500 mm
Dichte des zu schweissenden Metalls: 2,55 g/cm3 Abstand zwischen den zu schweissenden
Kanten: 60 mm
6o Schweissgeschwindigkeit: 30 m/Std.
Beispiel 5
Es wurde das Schweissen eines Metalls mit einer Dicke von 50 mm durchgeführt, das folgende chemische Zusam-65 mensetzung aufwies (in Gewichtsprozent):
Mg Mn
4,8% 0,54%
630547
8
Fe 0,25%
Zn 0,04%
Si 0,1%
Cu 0,075%
Al Rest.
Die zu schweissenden Kanten der Teile 1 (Fig. 13) mit einem Querschnitt von 50 x 250 mm wurden von der Formierungseinrichtung umfasst. Die Eingangstasche 6 wurde dabei über dem Spalt angeordnet; die Herausführungsleisten 9 und der Untersatz 10 mit Öffnungen für die Zuführung des Zusatzmetalles in Form eines Drahtes 22 wurden unter dem Spalt aufgestellt und die Seitenflächen der zu schweissenden Kanten von den Kokillen 11 umfasst. Auf dem Untersatz 10 wurde die nichtabschmelzende Plattenelektrode 20 aus Graphit befestigt. Man begann den Vorgang mit dem Eingiessen der schmelzflüssigen Schlacke 4 in den Spalt, wozu der eine Pol der Stromquelle an die Graphitelektrode 20 und der andere an die Eingangstasche 6 angeschlossen wurde. Der an den Schweisskreis nicht angeschaltete Zusatzdraht 22 wurde durch die Öffnung im Untersatz 10 dem Schlackenbad 4 von unten nach oben zugeführt. Das Schmelzen des Zusatzdrahtes 22 ging im flüssigen Schlackenbad 4 vor sich. Da die Graphitelektrode 20 mit der schmelzflüssigen Schlacke 4 nicht reagierte, gelang es, den Elektrodenabstand konstant zu halten. Das Ergebnis war eine fehlerfreie Schweissnaht mit einem guten Umriss.
5 Dem vorstehenden Beispiel 5 lagen die folgenden Daten zugrunde:
, Flussmittel gemäss dem SU-Urheberschein 207 703 (Angaben in Gewichtsprozenten)
Kryolith
28%
CaF2
64%
SÌO2
8%
Flussmitteldichte:
3,12 g/cm3
Dichte des zu schweissenden Metalls:
2,6 g/cm3
Leerlaufspannung des Transformators:
40 V
Stromdichte an der Elektrode:
2,5 A/mm2
Abstand zwischen den zu schweissenden
Kanten:
64 mm
20 Vorstehend wurden konkrete Durchführungsbeispiele der Erfindung angeführt, die verschiedene Änderungen und Ergänzungen zulassen, welche für Fachleute auf dem vorliegenden Gebiet der Technik offensichtlich sind.
s
7 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
- 6305472PATENTANSPRÜCHE1. Verfahren zum Elektroschlackeschweissen von Metallen durch das Erzeugen eines Schlackenbades (4) im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten mit nachfolgendem Schmelzen einer Elektrode (2,15) im Schlackenbad durch diejenige Wärme, die sich beim Durchfliessen eines Schweiss-stromes durch die in diesem Spalt befindliche schmelzflüssige Schlacke entwickelt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des Schlackenbades (4) ein Schweissflussmittel (12) mit einer Dichte, die grösser ist als die Dichte des zu schweissenden Metalls (1), benutzt wird und der Schweissprozess in der Richtung von oben nach unten mit der Bildung des schmelzflüssigen Metalls (5) über dem Schlackenbad (4) durchgeführt wird, wobei das schmelzflüssige Metall gegen Atmosphäreneinwirkung geschützt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (2) im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten (1) unbeweglich angeordnet wird, der Spalt mit dem Flussmittel (12) gefüllt wird und der Prozess mit dem Erzeugen des Schlackenbades (4) im Bereich des oberen Teils der Elektrode (2) begonnen wird, wobei das Volumen der Elektrode gleich dem Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten (1) gewählt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweissen durch die Zuführung einer Abschmelzelektrode (15) von unten nach oben im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten durchgeführt wird.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der im Schweissprozess sich bildende Schlackenüberfluss aus dem Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten (1) herausgeführt wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlackenbad beim Schweissen von oben nach unten bewegt wird.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten eine Abschmelzelektrode (15) angeordnet wird, worauf der Spalt mit dem Schweissflussmittel (12), das ein zerkleinertes Zusatzmetall (22) enthält, gefüllt wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten (1) ein abschmelzendes Mundstück (18) unbeweglich angeordnet wird, durch das dem Schlackenbad die Elektrode (15) zugeführt wird.
- 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Teil des Spaltes zwischen den zu schweissenden Kanten ein nichtabschmelzendes Mundstück (19) angeordnet wird, durch das die Elektrode dem Schlackenbad zugeführt wird.
- 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine nichtabschmelzende Elektrode (20) im Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten (1) angeordnet wird und dem Schlackenbad (4) Zusatzmetall (22) zugeführt wird, das nicht mit der Schweissstromquelle verbunden ist.
- 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt zwischen den zu schweissenden Kanten mit Schweissflussmittel (12) gefüllt wird und der Vorgang mit dem Eingiessen einer Menge der schmelzflüssigen Schlacke (4) auf den oberen Teil des Schweissflussmittels begonnen wird.
- 11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Schlacke entsprechend folgender Abhängigkeit gewählt wird:y Schlacke =Yi s Hierin bedeuten:y Schlacke Dichte der Schlacke;kj Prozentgehalt von Flussmittelkomponenten,yi Dichte der Flussmittelkomponenten.15
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