Die Technische Physik Der Lichtbogenschweissung Einschliesslich Der Schweissmittel

ISBN-13: 9783540024781 / Niemiecki / Miękka / 1959 / 388 str.

W. M. Conn

Opis

Beim Studium der LichtbogenschweiBung findet man eine Fiille von auBerordentlich interessanten Erscheinungen. Vielfach sind in der stiirmischen Entwicklung der letzten Jahre die praktischen Erfahrun gen der Technik den theoretischen Erkenntnissen weit vorausgeeilt, so daB auch jetzt noch viele der beobachteten Phanomene ungekHirt sind. Diese Monographie sucht nun eine doppelte Aufgabe zu erfiillen. Einer seits wird versucht, dem technischen Physiker und dem Studierenden einen Dberblick iiber den Stand der Forschung auf diesem Gebiet zu geben und die Anwendung grundlegender Erkenntnisse aufzuzeigen, andererseits sollen dem in der SchweiBtechnik Tatigen Antworten auf Fragen nach dem "Warum" der Erfahrungen der Praxis gegeben werden. Die Weiterentwicklung der LichtbogenschweiBung erfordert das enge Zusammenwirken von Theoretikern und Praktikern. Der Lichtbogen zwischen zwei Kohleelektroden wurde in dieser Monographiensammlung vor einigen Jahren durch FINKELNBURG 2]1 eingehend behandelt. Lichtbogen zwischen metallischen Elektroden, die bei Schaltvorgangen auftreten (und keineswegs erwiinscht sind), wurden in dieser Sammlung durch HOLM 1] erwahnt. In der Zwischen zeit sind elektrische LichtbOgen zwischen Kohle- und Metallelektroden in wachsendem MaBe untersucht worden, und unsere Kenntnis der sich im Bogen abspielenden Vorgange hat sich erheblich erweitert.

Spis treści

I. Einleitung — Historische Entwicklung.- II. Grundlagen der Lichtbogenschweißung.- A. Wärmequellen.- 1. Der Schweißbogen.- a) Überblick.- 1. Einführung.- 2. Lichtbogen zwischen zwei Elektroden.- 3. Bogen zwischen Elektrode und Werkstück.- 4. Permanente Elektrode.- 5. Abschmelzelektrode.- b) Lichtbogenphysik.- ?) Vorentladung.- 6. Allgemeines.- 7. TOwnsend- und Kanalaufbau.- 8. Kritischer Wert.- 9. Trägerschlauch.- 10. Raumladungsverteilung.- 11. Durchschlag.- 12. Entladungsstrecke.- 13. Literaturübersicht.- ß) Zündung des Schweißbogens.- 14. Übersicht über Zündmethoden.- 15. Kurzschlußzündung.- 16. Spannungsspitzen.- 17. Hochfrequenzzündung.- ?) Bogenmechanismus.- 18. Übersicht.- 19. Plasma.- 20. Minimumprinzip.- 21. Niederstrom- und Hochstrombogen.- 22. Kathoden- und Anodenfallgebiete.- 23. Kathode.- 24. Brennfleckbogen.- 25. Nichtstationärer Brennfleckbogen.- 26. Brennfleckloser Bogen.- 27. Anode.- 28. Zischender Bogen.- 29. Höchststrombogen.- 30. Bogentypen beim Schweißen.- 31. Anodenfall gebiet.- ?) Verlöschen und Wiederzünden des Bogens.- 32. Verlöschen.- 33. Wiederzünden.- ?) Temperaturen des Bogens und der Elektroden.- 34. Drei Temperaturbezirke.- 35. Temperatur der Bogensäule.- 36. Temperaturverteilung im ungestörten Bogen.- 37. Radiale Temperaturverteilung in der Lichtbogensäule.- 38. Temperatur der Elektroden.- 39. Siedepunktserhöhung.- ?) Charakteristik.- 40. Gleichstromlichtbogen.- I. Konstante Bogenlänge.- II. Nichtkonstante Bogenlänge.- 41. Wechselstromlichtbogen.- 42. Stromquellen für die Lichtbogenschweißung.- 43. Beziehungen der Kennlinien für Stromquelle und Lichtbogen.- 44. Steigende Lichtbogen-/ fallende Qüellenkennlinie.- 45. Steigende Lichtbogen-/ Konstante-Spannung-Quellenkennlinie.- 46. Steigende Lichtbogen-/steigende Quellenkennlinie.- ?) Leitvermögen im Bogenraum.- 47. Eggert-SahA-Beziehung.- 48. Einführung von Metall- und Kohledämpfen durch Temperaturerhöhung.- 49. Verwendung von Spezialelektroden (Nacktdraht).- 50. Zusatz von Fremdstoffen.- 51. Hauchdünne Überzüge.- 52. Pasten und imprägnierte Bänder.- 53. Mantelelektroden.- 54. Dochtkohlen und Seelenelektroden.- 55. Schweißmittel für die Unterpulverschweißung.- 56. Einfluß des Ionisationsgrades auf die Bogentemperatur.- ?) Ausbildungsform und Stabilität des Schweißbogens.- 57. Unbehinderter Lichtbogen.- 58. Bewegung des Lichtbogens.- 59. Ladungsträgerdichte.- 60. Stabilität.- 2. Die Stromwärmeerhitzung.- 61. Allgemeines zur Stromwärmeerhitzung.- a) Nackte Elektroden.- 62. Freie Elektrodenlänge.- 63. Zahlenwerte.- 64. Differentialgleichung für die Wärmeentwicklung.- 65. Elektrodenquerschnitt „Null“.- 66. Abschmelzleistung MRP.- 67. Temperatur der Elektrode.- 68. Abschmelzleistung und Wärmeverluste 69. Polarität.- 70. Konstante Spannungsquelle.- 71. Schweiß- oder Flußmittel.- b) Mantelelektroden.- 72. Voraussetzungen.- 73. Vermeidung der Stromwärmeerhitzung.- 74. Vergleich mit der UP-Schweißung.- c) Geschmolzene Schlacke.- 75. Frühere und jetzige Ansichten zur UP-Schweißung.- 76. Elektro-Schlacke-Schweißung.- 3. Exotherme Vorgänge.- 77. Übersicht über exotherme Vorgänge.- a) Rekombination von Ladungsträgern.- 78. Allgemeines zur Rekombination.- 79. Bogenplasma.- 80. Oberflächeneffekt.- b) Assoziation.- 81. Übersicht.- 82. Arcatomverfahren.- 82 a. Schweißen mit Plasmapistole.- 83. Schweißenmit feuchten Mantelelektroden.- c) Bildungswärmen.- 84. Allgemeines zu den Bildungswärmen.- 85. Eisenpulver-elektroden.- 86. Tiefeinbrandelektroden.- 87. Schweißpulver.- 88. Wärmeausgleich.- 4. Das Vorschmelzen des Zusatzwerkstoffes.- 89. Allgemeines zum Vorschmelzen.- 90. Verwendung von zwei Wärmequellen.- B. Kräfte und Werkstoffübergang bei der Lichtbogensch weißung.- 91. Allgemeines über Kräfte und Werkstoffübergang.- 1. Kräfte im Bogen und ihre Wirkungen.- 92. Kraftwirkungen und Literaturübersicht.- a) Steifheit des Lichtbogens.- 93. Empirisches über die Steifheit des Bogens.- 94. Berechnung der wirksamen Kraft.- 95. Beeinflussung der Steifheit des Bogens.- b) Blaswirkung.- 96. Arten der Blaswirkung.- 97. Magnetische Blaswirkung bei Gleichstrom 98. Kräfte, bei der magnetischen Blaswirkung.- 99. Eliminierung der Blaswirkung.- 100. Blaswirkung bei Wechselstrom.- 101. Ausnutzung der Blaswirkung.- 102. Thermische Blaswirkung.- c) Wirkung mechanischer Kräfte.- 103. Allgemeines.- a) Beobachtungstatsachen.- I. Grabende Wirkung.- 104. Eindringungstiefe des Bogens und Durchmischung des Bades.- 105. Vergleich zwischen Grabwirkung und Wasserstrahl.- 106. Einfluß der Wanderungsgeschwindigkeit des Bogeris.- 107. Berührungsschweißung.- 108. Bogenlänge.- 109. Stromstärke.- 110. Neigung der Elektrode.- 111. Bogenstabilisierung.- 112. Exotherme Reaktionen.- 113. Tiegelbildung.- 114. Einfluß von physikalischen Parametern.- 115. Einfluß der Steifheit des Bogens und der Blaswirkung.- 116. Vergleich mit Metallspritzverfahren.- II. Kraterbildung.- 117. Empirisches über Kraterbildung an der Oberfläche des Werkstoffseitigen Schweißbades.- 118. Faktoren zur Begünstigung und Hemmung der Kraterbildung.- 119. Endkrater bei einer Schweißung.- 120. Mittel zur Unschädlichmachung des Endkraters.- III. Kräfte beim Übergang des Werkstoffes.- 121. Allgemeine Gesichtspunkte zur Schweißung in Zwangslagen.- 122. Versuche mit Lochplatte.- 123. Drei Schmelzbäder bei Abschmelzelektroden.- 124. Gasgehalt der Elektrode.- 125. Kohleelektroden.- 126. Gasgehalt und Viskosität/Oberflächenspannung.- 127. Elektroden aus beruhigtem Stahl.- 128. Sauerstoff im Bogenraum.- 129. Kohlenstoffgehalt der Elektrode.- ß) Messung der Kräfte.- 130. Literaturübersicht.- 131. Apparaturen und Versuchs-ergebnisse 132. Übersicht über die gemessenen Druckkräfte.- 133. Faktoren, die die mechanische Kraftwirkung beeinflussen.- ?) Natur der Kräfte.- 134. Allgemeines zur Natur der Kräfte.- 135. Mögliche Kräfte im Lichtbogen.- ?) Berechnung der Kräfte.- 136. Berechnung mittels Plasmaströmung.- 137. Berechnung der Druckverteilung mittels der Lenzschen Regel.- 138. Berechnung der Druckverteilung in einem kernlosen Schweißbogen.- 139. Ermittlung der Kraterform durch Rechnung.- 140. Berechnung der Druckverteilung in einem Schweißbogen mit Kern.- 141. Ermittlung der Kraterform für einen Bogen mit Kern.- d) Kräfte bei der Tropfenbildung.- 142. Empirisches über Tropfenbildung.- 143. Mechanismus der Tropfenbildung.- ?) Pinch-Effekt.- 144. Rolle des Pinch-Effektes beim Werkstoffübergang.- 145. Angespitzte Elektrode.- 146. Elektrode mit Ein-schnürung oder Verdickung.- 147. Zusatzmechanismen zum Pinch-Effekt.- ß) Unduloide.- 148. Definition.- 149. Unduloide bei Metalldrähten.- 150. Vergleich mit dem Zonenschmelzverfahren.- 151. Unduloide beim Lichtbogenschweißen.- 152. Modellversuche.- ?) Mechanische Verformungen durch axiale Kompression.- 153. Empirisches über mechanische Verformungen.- ?) Drucksteigerung bei Tropfenbildung.- 154. Beobachtungsergebnisse.- e) Wirkung explosiver Kräfte.- 155. Temperatur der Schweißelektrode.- 156. Temperatur des abgeschnürten Tropfens.- 157. Gase im Metall.- 158. Explodierender Tropfen.- 159. Auftreten von hohlen Tropfen.- 160. Gashüllen bei übergehenden Tropfen.- 161. Einfluß von Oxydschichten und Verunreinigung der Oberfläche.- 2. Mechanismus des Werkstoffüberganges.- 162. Allgemeines zum Übergang des Werkstoffes.- ?) Bestimmungsmethoden.- 163. Mechanische Methoden.- 164. Elektrische Methoden.- 165. Photo graphische Methoden.- b) Werkstoffübergang bei nackten Elektroden in Luft und Schutzgas.- 166. Einsetzen des Werkstoffüberganges.- 167. Richtung des Werkstoff Überganges.- 168. Parameter für den Tropfenüber-gang.- 169. Kritischer Wert des Werkstoffüberganges.- I. Sprühregenartiger Werkstoff Übergang bei nackten Elektroden.- 170. Allgemeines zum Sprühregenübergang.- 171. Zeitfaktor.- 172. Energieaufwand.- 173. Mechanismus der Tropfenbildung.- 174. Zahlenwerte.- II. Übergang einzelner Tropfen bei nackten Elektroden.- 175. Allgemeines zum Übergang einzelner Tropfen und unregelmäßiger Stücke von der Elektrode.- 176. Freie Tropfen.- 177. Kurzschlußübergang.- 178. Kreisende Tropfen.- 179. Übergang von Spritzern.- c) Werkstoffübergang beim Schweißen unter Schlackenschutz.- a) Mantelelektroden.- 180. Übersicht zum Werkstoffübergang bei Mantelelektroden.- I. Sprühregenartiger Übergang bei Mantelelektroden.- 181. Allgemeines zum Sprühregenübergang.- 182. Zahlenwerte.- 183. Heißgehende Elektroden.- 184. Unterwasser-schweißung.- II. Übergang einzelner Tropfen bei Mantelelektroden.- 185. Empirisches zum Übergang einzelner Tropfen.- 186. Zahlenwerte.- 187. Schlackenhülle der übergehenden Einzel tropfen.- 188. Verfügbare Schlackenmenge.- 189. Schlackenhülle bei Stromdurchgang durch den Mantel.- 190. Kreisende Tropfen und Übergang von Spritzern.- ß) Seelenelektroden.- 191. Empirisches zum Werkstoffübergang bei Seelenelektroden.- 192. Seelenelektroden ohne Umhüllung.- 193. Seelenelektroden mit Umhüllung.- 194. Kombination von Seelenelektroden und Schutzgasschweißung.- 195. Stromwärmeerhitzung bei Seelenelektroden.- ?) Unterpulverschweißung.- 196. Beobachtungsmethoden.- 197. Arten des Werkstoff- überganges beim UP-Schweißen.- d) Beeinflussung des Werkstoff Überganges.- 198. Allgemeine Gesichtspunkte.- 199- Einfluß der Energiezufuhr auf Größe und Entstehungsdauer der Tropfen.- 200. Zusatz von Fremdstoffen.- 201. Einfluß von Gasen.- 202. Einfluß von Stromwärmeerhitzung und exothermen Vorgängen.- e) Überblick über den Werkstoffübergang.- 203. Sprühregen- als „Normaler Werkstoff über gang“.- C. Schmelzbäder bei der Lichtbogenschweißung.- 204. Allgemeine Gesichtspunkte.- 205. Schweißung und Stahlerzeugung.- 1. Gleichförmig betriebener Schweißbogen.- 206. Quasigleichgewichtszustand.- 2. Thermische Eigenschaften.- 207. Temperaturen der Schmelzbäder.- 208. Viskosität.- 209. Nichtthermische Beeinflussung der Viskosität.- 210. Oberflächenspannung.- 211. Einfluß von Zusatz-stoffen auf die Oberflächenspannung.- 212. Dichte.- 213. Thermische Ausdehnung.- 214. Wärmeleitzahl und Temperaturleitzahl 215. Elektrisches Leitvermögen.- 216. Sonstige thermische Eigenschaften.- 3. Weitere die Schmelzbäder beeinflussende Faktoren.- 217. Schmelzbäder E und T.- 218. Schmelzbad W.- 4. Entfernung von Gasen und Verunreinigungen aus den Schmelzbädern.- 219. Übersicht.- 220. Gasaufnahme und Porosität in Luft.- 221. Nackte Elektroden in Schutzgasatmosphäre.- 222. Schweißen mit Schlackenbildnern.- 223. Wasserstoff.- 224. Kohlenmonoxyd.- 225. Schwefel und Phosphor.- 226. Oberflächenoxyde und andere Verunreinigungen.- 227. Desoxydationsprodukte.- 228. Bewegung von Gasblasen durch die Schmelzbäder.- 5. Einführung von Legierungsbildnern.- 229. Allgemeine Gesichtspunkte.- 230. Thermodynamische Beziehungen.- 231. Methoden zur Einführung von Legierungselementen.- 232. Agglomerierte Schweißpulver.- 233. Auftragschweißung.- 234. Abbrandverluste.- 235. Auflegierung in Bädern E und T beim Schweißen mit Schlakkenbildnern.- 6. Abkühlungsverhalten der Schmelzbäder.- 236. Vorgänge beim Erlöschen oder Fortschreiten des Bogens.- D. Energiebilanz.- 237. Physikalischer Lichtbogen.- 238. Schweißbogen.- 239. Aufstellung der Energiebilanz mit Hilfe bekannter Größen.- 240. Schweißkalorimetrie.- E. Ausbreitung der dem Werkstück zu geführten Wärmeenergie.- 241. Übersicht.- 1. Empirisches zur Wärmeausbreitung.- 242. Messung der Temperaturverteilung im Werkstück.- 243. Resultate der Temperaturmessungen 244. Einfluß der Stromstärke.- 245. Einfluß des Materials.- 246. Einfluß der Blechstärke und der Blechgröße.- 247. Einfluß der Erhitzungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten.- 248. Einfluß der Schweißgeschwindigkeit.- 249. Einfluß der Stromart und der Vorerhitzung.- 2. Theorien der Wärmeausbreitung.- 250. FouRiERSche Gleichungen.- 251. Analogiemethode.- 252. Superpositionsmethode.- III. Ausgewählte Kapitel aus der Technik des Lichtbogenschweißens.- 253. Allgemeines.- A. Einleitung.- 254. Schweißmethoden.- 255. Abschmelzleistung.- B. Nackte Elektroden in Luft.- 256. Übersicht.- 257. Permanente Elektroden in Luft.- 258. Schwingelektrode und Schweißgriffel.- 259. Abschmelz-elektroden in Luft.- 260. Lichtbogenschweißung mit Kondensatorstoßentladung.- C. Schutzgasschweißung.- 261. Übersicht.- 262. Allgemeines zur Schutzgasschweißung.- 1. Gase für die Schutzgasschweißung.- 263. Edelgase.- 264. Kohlendioxyd.- 265. Gasgemische.- 2. Einbrandverhalten bei der Schutzgasschweißung.- 266. Bogenform und Einbrand.- 3. Permanente Elektroden.- 267. TIG-Verfahren.- 4. Abschmelzelektroden.- 268. MIG-Verfahren und Kohlendioxydschweißung.- 5. Spezielle Anwendungen.- 269. Tunktschweißung und Verwendung von zwei Lichtbögen.- D. Unterpulverschweißung.- 270. Übersicht.- 271. Allgemeine Gesichtspunkte.- 272. Zur Geschichte der Unterpulverschweißung.- 1. Durchführung der Unterpulverschweißung.- 273. Permanente Elektroden.- 274. Abschmelzelektroden.- 2. Anforderungen an die Schweißmittel und die Schlacken.- 275. Allgemeines.- a) Chemische Anforderungen.- 276. Schutz gegen atmosphärische Gase.- 277. Schutz gegen Feuchtigkeitsaufnahme.- 278. Einführung von Legierungs-elementen 279. Wiederverwendung der Schlacke.- 280. Hohe Reaktionsgeschwindigkeit.- b) Physikalische und metallurgische Anforderungen.- 281. Korngrößenverteilung.- 282. Abkühlung der Metall- und Schlackenbäder.- 283. Verunreinigungen.- 284. Oberflächenspannung, Viskosität und Benetzungsfähigkeit.- 285. Bogenlänge.- 286. Vermeidung von Gesundheitsstörungen.- 287. Dichteunterschiede der Bäder.- 288. Thermische Ausdehnungskoeffizienten.- 289. Schmelztemperatur.- 290. Klassifizierung der Schweißmittel.- 3. Herstellung der Schweißmittel.- 291. Erhitzungskurven.- 292. Schweißmittel aus rohen Gemengen.- 293. Geschmolzene Schweißmittel.- 294. Gebrannte Schweißmittel.- 295. Agglomerierte Schweißmittel.- 4. Zusammensetzung der Schweißmittel.- 296. Allgemeine Gesichtspunkte.- 297. Schweißmittel aus rohen Gemengen - 298. Geschmolzene Schweißmittel.- 299. Gebrannte Schweißmittel.- 300. Agglomerierte Schweißmittel.- 5. Ausgewählte Punkte zur UP-Schweißung.- 301. Allgemeines.- 302. Fluorverbindungen in Schweißmitteln.- 303. Schweißmittel für Nichteisenmetalle.- 304. Schweißpulver für die Elektro-Schlacke-Schweißung.- 305. Magnetische Schweißpulver.- 306. Netzmantelelektroden.- 307. Schweißen an vertikaler Wand.- 308. Gleichzeitige Verwendung von mehreren Lichtbögen bei der UP- Schweißung.- 309. Auftragschweißung.- 310. Stromloser Zusatzdraht.- 311. Elektrodenbündel.- 312. Flachbandelektroden.- 313. Einlage-Schnell-Schweiß verfahren.- 314. Einige spezielle Anwendungen der UP-Methode.- E. Mantelelektroden.- 315. Übersicht.- Ausgewählte Aufgaben zur Herstellung und Verwendung von Mantelelektroden.- 316. Allgemeine Gesichtspunkte.- 317. Herstellung von Mantelelektroden.- 318. Hochleistungselektroden.- 319. Schweißen von Stahlguß, Grauguß und Temperguß.- 320. Das ELiN-HAFERGUT-Verfahren.- 321. Bündelelektroden.- 322. Das KAELL-Verfahren.- F. Seelenelektroden.- 323. Übersicht.- Ausgewählte Kapitel zur Herstellung und Verwendung von Seelenelektroden.- 324. Allgemeine Gesichtspunkte.- 325. Herstellung der Seelenelektroden.- 326. Zusammensetzung von Seelenelektroden.- Namen- und Literaturverzeichnis.