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VERFAHREN ZUM ELEKTROSCHLACKE-AUFSCHWEISSEN Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf Schweiß- und elektrometallurgische Prozesse, insbesondere auf Verfahren
zum Elektroschlacke-Aufschweißen von Teilen konstanten Querschnitts, An zweckmäßigsten
kann die vorliegende Erfindung bei der Herstellung mittels des Elektroschlacke-Aufschweißens
von Teilen die geringen Durchmesser bei großer Länge aufweisen, beispielsweise bei
der Herstellung von Wellen, Stangen, Rollen u. a.
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Teilen angewendet werden.
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Außerdem kann dir Erfindung bei der Ausbesserungs- und der verschleißfesten
Aufschweißung zur Anwendung gelangen.
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Die Erfindung kann ebenfalls sowohl bei der Herstellung von neuen
Bimetallteilen mit einer Auftragsschicht, die sich in ihrer Zusammensetzung und
ihren Eingenschaften vom Grundwerkstoff
unterscheidet, als auch
bei der Ausbesserungs-Aufschweißung, wenn die Auftragsschicht in ihren eingenschaften
dem Grundmaterial ähnlich ist, angewandt werden.
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Bekannt ist ein Verfahren zum Elektroschlacke-Aufschweißen von Teilen
konstanten Querschnitts, deren Lange großer oder gleich der minimalen Abmessung
ihrer Querschnitte ist, im besonderen von Walzen für das Warmwalzen. Das bekannte
Verfahren sieht die vertikale Anordnung des Teils innerhalb einer Kokille unter
Verwendung einer Elektrode vor, welche das Teil äquidistant; umfaßt und Spalte zwischen
Teil und Kokille bildet (Artikel von G. Ksendzyk "Ringförmiges Elektroschlacke-Aufschweißen
von zylindrischen Teilen in senkrechter Lage", Fachzeitschrift "Das automatische
Schweißens Nr. 5, 1966, S. 63). Jedoch besitzt das genannte Verfahren einen wesentlichen
Nachteil, der darin besteht, daß es bei seiner Anwendung nicht gelingt, qualitätsgerechte
Teile aufzuchweißen, welche eine große Länge bei geringem Durchmesser aufweisen
wie z. B. Wellen, Stangen, Rollen u, a. Darüber hinaus wurde dieses Verfahren vorliegen
zum Aufschweißen einer Gußeisenschicht auf einen Stahltrag verwe det körpers wobei
die Schmelztemperatur des Zusatzmetalls niedriger als die Temperatur des Grundwerkstoffs
ist und der Unterschied zwischen ihren Schmelztemperaturen Hunderte von Grad beträgt.
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@@@@@@ wen, aber ein langes Teil geringen Durchmessers uafzuschweißen
ist oder auf einen Stahltragkörper eine Schicht aus Stahl aufgeschweißt werden muß;
dessen Schmelztemperatur sich ~ wenig von Schmelztemperatur des Grundwerkstoffs
unterscheidet,
rührt die Anwendung des bekannten Verfahrens zu einer
ungleichmäßigen und zunehmenden Durchschweißtiefe des Grundwerkstoffs und letzten
Endes zur durchgehenden Durchschmelzung, Störung der Mittellinie des Teils und zum
Ausschuß.
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Letzteres findet deswegen statt, weil bei dem bekannten Aufschweißverfahren,
wenn das Teil vollstandig durch das Schlackenbad umspült wird, eine Wärmesättigung
des Teils geschieht, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärmewelle in ihm die
lineare Aufschweißgeschwindigkeit übersteîgt.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten
Nachteile.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Elektroschlacke-Aufschweißen
hoher Qualität für Teile zu, entwickeln, , deren Länge größer oder gleich der minimalen
Abmessung ihres Querschnitts und die Schmelztemperatur des Schweißguts mit der des
Grundwerkstoffs vergleichbar ist, wobei das Kriterium, welches die Aufschweißgute
bestimmt, eine geringe Durchschweißtiefe auf der ganzen Länge des aufzuschweißenden
Teils ist.
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Die gestellte Aufgabe wird mittels eines Verfahrens zum Elektroschlacke-QufßchweLI3
en von Teilen konstanten Querschnitts gelöst, deren Länge gröser oder gleich der
minimalen Abmessung eine ihrer Querschnitte ist, welches Verfahrentvertikale Anordnung
des Teils innerhalb einer Kokille mit Verwendung einer Elektrode vorsieht die das
Teil äquidistant umfaßt und mit dem Teil und
der Kokille Spalte
bildet, wobei gemäß der Erfindung das Aufschweißen mit einer Geschwindigkeit durchgeführt
wird, die der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärmewelle in dem aufzuschweißenden
Teil voreilt, und eine Temperatur der Arbeitsfläche der Kokille oberhalb der Temperatur
im Wendepunkt der Viskositätskurve der beim Aufschweißen benutzten Schlacke aufrechterhalten
wird.
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Am zweckmäßigsten wird das Aufschweißen bei einer Stromstärke über
20 A/cm² der Schlackenbadoderfläche und bei einer Spannung von 15-20 V vorgenommen.
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Zur besseren Formung des Schweißguts wird der Kokolle zweckmäßigerweise
Wasser mit einer Temperatur oberhalb 50°C zugefuhrt .
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Im folgenden wird die vorliegende Erfindung an IIand der eingehenden
Beschriebung eines konkreten Ausführungsbeispiels derselben und durch die beigefug-te
Zeichnung erläutert, in welcher eine anlage zur Durchfuhrung des Elektroschlacke-Aufschweißens
von zylindrischen Teilen mit Verwendung einer Elektrode in Form eines Rohrs schematisch
dargestellt ist.
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Das vogeschlagene Verfahren zum Elektroschlacke-Aufschweißen von
Teilen konstanten querschnitts, deren Länge großer oder gleich der minimalen Abmessung
ihrer Querschnitte ist, baut auf dem bekannten Schema der Elektroschlake-Aufschweißung
auf. Bei der Lösung der gestellten Aufgabe wurde auf die Entwicklung eines Verfahrens
abgezielt, bei welchem die lineare Aufschweißgeschwindigkeit größer als die lineare
Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Wärmewelle im Teil in Aufschweirichtung wäre. Die Entwicklungen betrafen Walzen
für das konkret das Problem der ausbesserungs-Aufschweißung vonKaltwalzen von geringer
Gröse: d # 250mm, L/d # 3. Die Durchführung des Aufschweißens mit einer Geschwindigkeit,
die der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wårmewelle im aufzuschweißenden Teil gleich
ist oder derselben voreilt, bedeutet, daß der Prozeß der Ausbreitung der Wärme im
Teil aus dem nichtstationären in den quasistationåren ubergreht .
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Unter der Aufschweißgeschwindigkeit wird die lineare Geschwindigkeit
der Aufwärtsbewegung des Metallbades und unter der Ausbreitungsgeschwindigkeit der
Wärmewelle die Vertikalkomponente des Vektors der Verschiebungsgeschwindigkeit der
Isotherme von Schm. t° im Teil (in Aufschweißrichtung) verstanden.
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Bei nichtstationärer Wärmeausbreitung im Teil, wenn die Temperatur
aller seiner Punkte kontinuierlich steigt, tritt eine Wärmesättigung ein, weshalb
sich der Temperaturgradient verändert.
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Hierbei nimmt die Horizontalkomponete des Vektors der Verschiebungsgeschwindigkeit
der Isotherme von Schm; t° zu, was von einer vergrößerung der Durchschweißtiefe
des Teils begleitet wird.
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Bei quasistationärem Wärmevorgang, wenn die Geschwindigkeit des Anstiegs
des Metallbades gleich oder größer ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Warmewellat
bleibt der
Temperaturgradient an der Oberflache des Teils konstant.
Die Horizontalkomponente des VeJt;ors der Verschiebungsgeschwindigkeit der Isotherme
von t° Schm. kann Asogar abnehmen, was die Verminderung der Durchschweißtiefe bedeutet.
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Auf diese Weiseverhindert die Durchführung der Aufschweißung mit
einer Geschwindigkeit1 die gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Warmewelle
ist oder dieser voreilt die Vergrößerung der Durchweißtiefe während des Aufschweißprozesses
mit allen sich daraus ergebenden Bolzen. Die chemische Zusammensetzung des Schweißguts
bleibt unveränderlich, d. h. es wird praktisch durch den Grundwerkstoff nicht verdünnt.
Außerdem wird der bei der durchgehenden Durchschmelzung des Teils moghohe Ausschuß
ausgeschlossen, was bei der Anwendung des bisher bekannten Verfahrens der Fall war.
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Die Steigerung der Aufschweißgeschwindigkeit gegenüber der Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Wärmewelle im Teil ist auf zwei Wegen durchführbar. Erstens durch Steigerung
der ufschweißgeschwindigkit, was durch Vergrößerung des Elektrodenvorschubs mit
natürlicher Stromstärkezunahme bis auf Grenzwerte, welche einen stabilen Ablauf
des Elektroschlacke-Prozesses sicherstellen, erreicht wird. Zweitens durch Verminderung
der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärmewelle, was wiederum durch Temperatureriiiedrtgung
des Schlackenbades, d. h. die Arbeit mit . "kalten" Bad, erzielt wird. Die Vergrößerung
der Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode führt naturgemäß zu einer gewissen,
jedoch
unzureichenden Abnahme der I)urchschweitiefe. Die Durchführung der zweiten Maßnahme,
u. zw. die Temperatursenkung des Schlackenbades, gewährleistet die Erreichung des
gewünschten Ziels: die Aufschweißgeschwindigkeit beginnt die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Wärmewelle im Teil zu ubersteigen.
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Die Temperatursenkung des Schlackenbades wird durch Ubergang auf
eine Prozeßführung bei Niederspannung erzielt.
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Für Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die die vorliegende Erfindung
in erster Linie betrifft, werden folgende Ströme und Spannungen verwendetes die
Stromstärke soll mehr als 20 A/ cm2 der Schlackenbadfläche und die Spannung 15-20
V betragen.
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Die Durchfiiiirung des Elektroschlacke-Prozesses bei einer so niedrigen
Spannung ist nur bei Verwendung von hochleitfähigen Flußmitteln möglich. Von den
bekannten Flutiitteln besitzen solche Eigenschaften nur Flußmittel, die als Fluorverbindungen
(CaF2, NaF, AlF3) aufgebaut sind Diesen Flußmitteln haftet aber ein wesentlicher
Nachteil an: sie haben ein sehr kurzes Temperaturintervall der Viskositätsänderung.
Deshalb arbeitet man mit ihnen unter herkömmlichen Bedingungen bei "heißem" Schlackenbad
unter Anwendung ton Hochspannung. Bei unseren Bedingungen, wenn der Prozeß bei Niederspannung
durchgeführt werden muß, fallen die vorgenanaten Eingenschaften des Flußmittels
sehr ins Gewicht. So z.B. führt bei einem Flußmittel, welches aus CaF2 besteht,
die Temperatursenkung im Bereich des
Wendepunktes der Viscositätskurve
bereits um nur 10-15°C zum einwachsen seiner Viskosität um etwa das 100 fache (von
0,4 bis auf 40,0 Poise). Ähnliches ist auch für die übrigen hochleitfähigen Flußmittel
kennzeichnend. So ein schroffer Abfall der Flußmittelviscosität während der Aufschweißung
fuhrt zur Vergrößerung der Dicke der Schlackenkruste und zur Qualitätsminderung
bei der Formung des Schweißguts. Diese Schwierigkeit /schlechte Formung des Schweißguts
wegen der dicken Schlackenkruste/ konnte mit Hilfe der Temperatursteigerung der
Kokillenarbeitsfläche über die Temperatur des Wendepunktes der Viskositätskurve
der bein iiuEschweißesl verwendeten Schlacke hinaus überwunden werden. Dies kann
auf verschiedenen Wegen erreicht werden, von denen der eine die Erhöhung der Temperatur
des der Kokille zugeführten Wassers auf 500C und mehr ast. Derselbe Effekt kann
durch Verwendung von Kokillen mit Verdampfungskühlung oder durch Einbau in die Kokille
von Buchsen aus einem Werkstoff, welcher einen hohen Schmelzpunkt, Hitzbeständigkeit,
Trägheit gegenüber den Schlacken und eine im Vergleich zum Kupfer geringere Wärmeleitfähigkeit
besitzt, erzielt werden.
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Das vorgeschlagene Aufschweißverfahren besteht im folgenden. Das
Schema der Aufschweißung ist auf der beigefügten zeichnung dargestellt.
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Ein aufzuschweißendes T'eil 1 (eine Walze), welches einen konstanten
Querschnitt und eine Länge, die gleich oder größer
als die minimale
Abmessung seines Querschnitts ist, besitzt (die Form des Teils kann sein: beliebiger
zylinder, Vieleck-Rechteck u. ä. wird innerhalb einer Kokille 2 untergebracht und
vertikal angeordnet. Die Kokille kann sowohl mit Möglichkeit der Verschiebung in
Aufschrweißrichtung als auch ortsfest ausgeführt sein. Der Kokille 2 wird Wasser
mit einer Temperatur von mindestens sooc zugeführt. as Teil 1 wird in der Kokille
auf einer Sohle 3 aufgesetzt, auf welcher auch die Kokille 2 auf6estellt ist. Die
Sohle 3 befindet sich ihrerseits auf einem Sockel 4. Der Sockel 4 sieht die anordnung
der nicht aufzuschweißenden Partie des Teils, beispielsweise des unteren Laufzapfens
5 der aufzuschweißenden Walze 1 voll. In der Sohle 5 ist ein ringförmiger Bund 6
vorhanden, der als Abdichtung zwischen dem nicht aufzuschveißenden Abschnitt 5 des
Teils 1 und der Sohle 3 dient. Außerdem ist zur Sohle 3 ein Ende der Speisequelle
7 geführt. Das aufzuchweißende Teil 1, aufgesetzt auf dem Bund 6 der Sohle 3, hangt
über dem Bund 6 über. In ellen Ringspalt 8 setzt man einen technologischen Stahlring
9 ein, welcher zum Schutz der Sohle 3 gegen die Verschmelzung mit dem Schweißtgut
10 dient. Der Abstand zwischen der deren Kante der aufzuschweißenden Oberfläche
des Ueber dem Bund 6 überhängenden Teils 1 und der Oberfläche des technologischen
Rings 9 ist 30 bis 50mm. Dieser Abstand ist zur Stabilisierung des Elektroschlackeprozesses
notwendig. Späterhin und zwar bei der mechanischen Bearbeitung wird dieser Teil
des Schweißguts
10 samt dem technologischen Ring 9 entfernt.
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In den Spalt 8 zwischen Teil 1 und Kokille 2 führt man eine Elektrode
11 großen Querschnitts ein, welche das Teil 1 äquidistant umfaßt und sowohl mit
dem aufzuschweißenden Teil 1 als auch mit der Kokille 2 Spalte bildet. Die Form
der Elektrode 11 und deren Anordung sind derartig, daß der Spalt zwischen Qeil 1
und Elektrode 11 konstantgehalten wird und mindestens 10 mm beträgt. Genauso soll
auch der Abstand zwischen der Elektrode 11 und der Wand der Kokille 2 sein. Auf
diese Weise se wird die Dicke des Schweißguts 10 als algebraische Summe bestimmt,
die die Große der beiden Spalte, die Dicke der Elektrode, die Dicke der Schlackenkruste
.(0,5 - a, mm), Schwindungsgröße bei Erstarrung und Abkühlung des Schweißguts und
die Große der thermischen Schwindung des aufzuschweißenden Teils umfaßte dessen
wahr"end des Aufschweißvorgangs erreichbare Durchschnitts--temperatur auch von der
Temperatur der Vorwärmung, wenn eine solche erforderlich ist, abhängen wird.
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Die Elektrode kann in jeder beliebigen Weise ausgeführt werden: aus
Blech gebogen, geschweißt, gegossen oder aus einzelnen Segmenten oder Stäben zusammengesetzt.
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An die Elektrode 11 ist das zweite Ende der Spetsequelle 7 Angeschlossen.
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Meist verwendet man als Speisequelle einen Transformator, der eine
stabile Kennlinie, niedrige Betriebsspannungen und die Mo"glichkeit zur Umschaltung
der Spannung während des
Aufschweißvorgangs besitzt.
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Vor Beginn des Äufsch';eißprozesses wird die optimale Stromstärke
in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche des Ringspalts zwischen dem aufzuschweißenden
Teil und der Kokille bestimmt, was dasselbe ist wie die Schlackenbadoberfläche.
Berechnet wird ausgehend davon, daß die Stromstarke nicht; niedriger als 20 A je
Quadratzentrimeter dieser Oberfläche sein soll. Außerdem wird der Schalter des Gransformators
in eine solche Lage eingestellt, bei welcher die Betriebsspannung 20 V nicht übersteigen
soll.
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Der Aufschweißprozeß wird entweder mittels eines flussigen Startes
durch aufsteigendes Benetzen einer Portion des im voraus geschmolzenen Flußmittels
ausgehend von der optimalen Tiefe des Schlackenbads 12 von 30 - 40 mm oder durch
allmahschmelz liches Schlacken im Bad 12 unter Verwendung eines speziellen Schlackengemisches
und Zünden eines Mehrbogenprozesses zwischen der Elektrodenstirnfläche und dem technologischen
Ring beim Absenken der Elektrode begonnen.
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Nach dein Schlacken schmelzen im Bad 12 wird am Anfang des Aufschweißvorganges
eine solche Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode eingestellt, die den optimalen
Strom gewährleistet.
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Während des Aufschweißens wird die Tiefe des Schlackenbades 12 kontrolliert,
die durch peridisches Nachschütten neuer Flußmittelportionen in vorbestimmten Grenzen
(30 - 40 mm) aufrechterhalten wird. Kontrolliert werden auch der Strom und die Spannun
Die
Spannung kann am Ende der Aufschweißung bis 15 V abgesenkt werden, wobei auch der
Strom zur Verminderung der Tiefe des Metallbades 13 und zur Beseitigung der Schwindungsfehler
etwas verringert werden kann. Der Aufschweißprozeß wird oberhalb der geforderten
Marke beendigt. Hierbei werden das Schlackenbad 12 und das Metallbad 13 in eine
besondere Auslauftasche mit Hilfe des Einbaus einer Abfuhrbarriere entsprechend
der Außenlinie des aufzuschweißenden Teils herausgeführt.
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Der herausfUhrbare Teil des Schweißguts 10 wird bei der mechanischen
Bearbeitung entfernt.
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Während des Aufschweiprozesses wird die Temperatur des der Kokille
zugeftihrten Wassers kontrolliert, die 5000 nicht unterschreiten soll. Die Temperatur
des Abwassers soll sich in gefahrlosen Grenzen befinden, was entsprechend durch
Regelung der Wassermenge erreicht wird.
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Als Aufschweißbeispiele nach dem betrachteten Verfahren körben angefShrt^werden:
1. Ausbesserungs-Aufschweißung der ausgefallenen Arbeitswalzen eines Feinblechwalzwerks
mit dem Arbeitsdurchmesser 210 mm und der Ballenlänge 450 mm. Die Walzen fielen
wegen der Absplitterungen aus, deren Dicke 15-18 mm erreichte. Vor dem Aufschweißen
wurde die Walze geglüht und bis # 160 mm zum Entfernen der ganzen Ermüdungsschicht
abgedrehte Unter Berücksichtigung des Schlackenmachena.-im Bad und dessen Herausführung
betrung die Aufschweißlänge 550 mm. Es wurde in einer
feststehenden
Kokille mit 230 mm Duichmesser, 35 mm für jede Walzenseite, aufgeschweißt. Der Grundwerkstoff
war hochgekohlter Chromstahl, die Elektrode bestand aus einem Rohr änlicher Zusammensetzung
mit # 180...205 mm. Die Aufschweißbedingungen. J = 5000 A, U = 18 V. Die Aufschweißgeschwindigkeit
0s55 m/n, die Auftragsoberfläche glatt und ohne Fehler.
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Die Längsschnitte der aufgeschweißten Walzen zeigten, daß die Durchschweißtiefe
auf der Aufschweißlänge 3 mm nicht überschritt.
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2. Mit Hilfe der Aufschweißung wurde ein bimetallischer Rohling für
die nachfolgende Fertigung von Zahnradschabern hergestellt. In diesem Fall wurde
Werkzeug-Schnellarbeitsstahl auf Konstruktionsstahl aufgeschweißt. Der Durchmesser
des aufzuschweißenden Rohlings 145 mm, der der Kokille 00 mm. Die Elektrode setzte
sich aus Stäben aus Werkzeug-Schnellarbeitsstahl mit # 16 mm zusammen, die Länge
des aufzuschweißenden Rohlings betrug 400 mm. Es wurde ohne Vorwärmung aufgeschweißt.
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Auf schweißbedingungen: J = 450 A; U = 17 V1 Die Aufschweißgeschwindigkeit
= 0,5 m/h. Die Kontrolle der fertigenaufgeschweißten Rohlinge zeigte deren hohe
Qualitåb. Die Durchschweißtiefe befand sich im Bereich von 1 - 3 mm.
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3. Die Aufschweißung von hochlegiertem Werkzeug-Chromstahl. auf einen
Rohling aus niedriggekohltem Stahl. Der Durch messer des Rohlings 140 mm, der der
Kokille 200 mm. Die Elektrode setzte sich aus sechs geschmiedeten Segmenten des
Werkzeugstahls mit 10 mm Dicke zusammen. Die Länge der aufzuschweißenden Rphlinse
betrug
350 - 400 mm.
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Die Aufschweißbedingungen: J = 5000 A, U - 20 V, Geschwindigkeit
0,45 m/h.
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Die Auftragsoberfläche war gut, die Durchschweißtiefe lag im zulässigen
Bereich,0 In allen angeführten Beispielen wurde gute Gestaltung der Oberfläche des
Schweißgutes bei einer Dicke der Schlackenkruste von 1-2 mm erzielt und nur Heißwasser
mit einer Temperatur von mindestens 50°C für die Kühlung der Kokille verwendet.
Die gleichmäßige und geringe Durchschweißtiefe des Grundwerkstoffs (1 - 3 mm) zeigt,
daß das angewendete Verfahren die Erreichung des gestellten Ziels sicherstellt