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WIRTSCHAFTLICHKEIT DER FÜLLDRAHT-

SCHWEISSUNG

Manuskript für Schweißlehrer-Weiterbildung

F. Winkler

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Teil I

Schweißen mit unlegiertenFülldrähten

Inhalt

Verfahrensprinzip und FülldrahtkonzepteEigenschaften der unterschiedlichen FülldrähteVerarbeitungshinweiseAnwendungsbeispiele

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1.1. Gasdüse 7.7. Tropfentransport im Lichtbogen2.2. Kontaktdüse 8.8. Schmelzbad, Metall und Schlacke3.3. Schutzgas 9.9. Aufsteigende Schlacke44. Drahtmantel 10.10. Erstarrtes Schweißgut5.5. Drahtfüllung 11.11. Erstarrte Schlacke6.6. Freies Drahtende 12.12. Schweißraupe

15 - 25 mm

Schutzgas-Schweißverfahren(ähnlich wie MAG-Massivdraht)

Pulverfüllung beeinflusstSchweißeigenschaften PositionseignungAbschmelzleistung Mechanische Gütewerte

Schweißen mit FülldrahtVerfahrensprinzip

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Stumpfstoß Nahtlos Überlappstoß

für für un-, niedriglegierte Drähte hochlegierte

Drähte

Konzept von Fülldrähten

Pulverfüllung

ermöglicht:• Desoxidation des Schweißgutes• Bildung von Schlacke• Stabilisierung des Lichtbogens• Zufuhr von z.B. Eisenpulver

18 - 20 %nahtlose Typennur 12 - 14 % !

>20 % möglich(dünneres Band)

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Stumpfgestossene FD

2 Varianten

Schwarze Drähte & Glänzende Drähte

gezogen gewalzt

Ziehseifen keine Ziehseifen

getrocknet keine Trocknung(280°C / 8-12 h)

sichere HDM-Gehalte auchOxide Stromübergang) bei Rutildraht < 5ml/100gr

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Glänzende Oberfläche ohne Oxidschicht(Oxid = Isolator)

Keine Rückstände von Ziehseifen

Besserer Stromübergang im Kontaktrohr undhohe LichtbogenstabilitätSehr niedriger Wasserstoffgehalt im Schweiß-gut

Hohe Füllgrade sind möglich (bis zu 45 %)

Vorteile des gewalzten Drahtes

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Vorteile des Fülldrahtschweißens⇒Höhere Stromdichte, rascheres

Abschmelzverhalten, höhere Leistung.

⇒Tieferer Einbrand, weniger Risiko für Bindefehler durch breiteren Lichtbogen.

⇒Bessere Porensicherheit.

⇒Weniger Spritzer, dadurch kürzere Putzzeiten.

⇒Glatte Nähte mit guter Benetzung.

Ein guter Nahtübergang bei tiefem Einbrand erhöht dieSicherheit gegen Ermüdungs-risse bei dynamischer Bean-spruchung.

⇒Niedriger Wasserstoffgehalt, max. 5 ml/100 g Schweißgut.

⇒Fülldrähte bringen sowohl qualitativ, als auch produktiv Vorteile und senken die Reparaturquote.

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Vergleich der Stromdichtebei 300 Ampere

Massivdraht SG-2, Ø 1,6 mmQuerschnitt: 2,01 mm²Stromdichte: 300

2,01= 149 A/mm²

Fülldraht BÖHLER Ti 52-FD, Ø 1,6 mmForm: StumpfstossFüllgrad: 18 %Banddicke: 0,35 mmQuerschnitt: 1,37 mm²Stromdichte: 300

1,37= 219 A/mm²

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Höhere Abschmelzleistung bedeutet Zeit- und Lohnkosteneinsparungen

Es wird somit der kostenintensivste Teil der Gesamtkosten (Lohnkosten betragen ca. 80 %) positiv beeinflusst.

Leistungsvergleich

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DIE AM HÄUFIGSTEN VERWENDETEN SCHWEISSZUSÄTZE FÜR UNLEGIERTE

BAUSTÄHLE

FÜLLDRAHTELEKTRODEN• BÖHLER HL 51-FD/ EN 758: T 46 4 MM 2 H5 (Metallpulvertyp)

• BÖHLER Ti 52-FD/ EN 758: T 46 2 P M 1 H10

T 42 2 P C 1 H5

• BÖHLER Kb 52-FD/ EN 758: T 46 2 P M 1 B M 1 H5 (Basischer Typ)

• BÖHLER HL 53-FD/ EN 758: T 42 5 Z MM 2 H5 (Metallpulvertyp)

(Rutiltyp)

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FÜLLDRÄHTE MIT RUTILEM SCHLACKENSYSTEM

hervorragende Eignung für alle Schweißpositionenleicht verschweißbar (große Parameterbox)arbeiten immer im Sprühlicht-bogen glatte Nahtoberfläche, gute BenetzungSchlacke leicht entfernbar

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FülldrahtelektrodeBöhler Ti 52-FD (AWS A 5.20: E 71 T-1)

⇒Dies ist ein Vertreter der neuesten Rutil-Fülldrahtgeneration mit feintropfigem (sprühförmigen) Tropfenübergang und schnell erstarrender Schlacke, wodurch die Schweißung in Zwangslage äußerst vorteilhaft ermöglicht wird.

⇒Eine Parametereinstellung für alle Positionen (8 m/min, 25 - 26 V)

⇒Ti 52-FD ist ebenfalls wie „SG 2“ für viele Standardschweißungen bis zu Prüf-temperaturen von -20°C geeignet, Wanddicke max. 40 mm.

⇒Für Mischgas und CO2 gut geeignet.

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⇒Spritzerarmes Schweißen im Sprühlicht-bogen ist bereits ab ca. 160 Ampere (6 m/min, 23 V) gewährleistet.

⇒Der wesentlichste Vorteil ergibt sich in der Anwendung hoher Stromstärken in Steignaht und Überkopfposition, wodurch gegenüber Massivdraht um bis zu 160 % höhere Schweißgeschwindigkeit erzielt werden.

⇒Während Massivdraht in steigender Position max. Stromstärken von 170 - 180 Ampere zulässt, erlaubt Ti 52-FD Ø 1,2 mm mm bis zu 230/240 Ampere im Sprühlichtbogen.

⇒Dazu kommt noch hohe Spritzerbildung beim Massivdraht (Kurzlichtbogen!) und ent-sprechend hohe Putzzeiten. Die höheren Drahtkosten werden somit durch die verkürzte Schweißzeit bei weitem kompensiert.

FülldrahtelektrodeBöhler Ti 52-FD (AWS A 5.20: E 71 T-1)

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Rutil-Fülldraht im Vergleich zu Massivdraht

Kehlnaht steigend, a = 4.5 mmDrahtdurchmesser 1,2 mm

Zusätzlich wesentlich geringere Spritzerbildung bei Fülldraht und entsprechend wenig Aufwand für die Nachbearbeitung !

Massiv- Ti 52-FD Ti 52-FD draht Ar + 18 % CO2 100 % CO2

Drahtförderung (m/min) 4.0 10.0 12.2 Strom (A) 160 230 230Spannung (V) 18.0 28.7 30.5

Schweißgeschw. (cm/min) 12.0 26.5 31.5+ 120 % + 162 %

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Produktivitäts-VergleichMassivdraht / Fülldraht

Schweißposition: senkrecht steigend mechanisiert, gependelt

Gefordertes a-Mass: 4,5 mm

Ti 52-FD 1,2 mm Massivdraht 1,0 mm240 A, 18 cm/min 150 A, 18 cm/mina = 6 mm a = 4.5 mmTi 52-FD 1,2 mm240 A, 28 cm/min (= + 55 %!)a = 4,5 mm (ohne pendeln)

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Einseitenschweißen aufkeramischer Badsicherung

⇒ Ideal in Kombination mit Ti 52-FD für Wurzellagen in jeder Schweißposition

⇒ Ermöglicht höhere Stromstärken, dadurch höhere Leistung bereits bei Wurzelnähten

⇒ Einfachere Nahtvorbereitung, größere Toleranzen

⇒ Einsparung von Ausfugen und Gegen-schweißen

⇒ Sehr gute Nahtkontur auf der Wurzelseite

Typische Profile

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keine Schlacke (Oxydinseln wie Massivdraht)

Sprühlichtbogen auch bei relativ geringenStromstärken möglich

extrem spritzerarmsehr hohe Leistungmechanisiertes Schweißen

METALLPULVER FÜLLDRÄHTE

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FülldrahtelektrodeBöhler HL 51-FD (AWS A 5.18: E 70 C-6 M H4)

Gefüllt mit Eisenpulver, keine Schlackenbildner, hohe Nutz- ausbringung und Strombelastbarkeit. Dadurch absoluter Hochleistungstyp ("HL" ..).

Anwendungsmäßig (Stahlpalette, Schweißeigenschaften) mit Massivdraht SG 2 vergleichbar (bis -40°C und 45 mm Wanddicke).

Die seriöse Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bringt bei Metallpulverdrähten gegenüber Massivdrähten in folgenden Fällen Vorteile:

Im Stromstärkenbereich zwischen 180-300 Ampere

Massivdraht Ø 1,2 mm bei Anwendung von Mischgas (80/20) erreicht den spritzerarmen Tropfenübergang erst ab 300 A.

HL 51-FD kann bereits ab 180 Ampere im spritzerarmen Sprühlichtbogen ohne wesentlichen nachträglichen Putz- aufwand verschweißt werden. Die Investition teurer Impuls- schweißgeräte für die spritzerarme Massivdrahtschweißungist dadurch nicht erforderlich.

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FülldrahtelektrodeBöhler HL 51-FD (AWS A 5.18: E 70 C-6 M H4)

Kehlnähte mit a-Maß von 5-6 mm

Durch die Wahl des Fülldrahtes Ø 1,6 mm mit einer Lage möglich. Draht SG 2 benötigt 2 Lagen.Die Nahtgeometrie bei einer Lage wäre nicht mehr akzeptabel.

⇒ Bei Dichtschweißungenz.B. Aufschweißen von Rohrhalbschalen an Behälter oder Bodenaußenwände

..... durch sicheren Einbrand und geringerer Poren- empfindlichkeit.

⇒ Bei schwieriger NahtzugänglichkeitDas freie Drahtende kann bis zu 25 mm (30 mm) betragen.Massivdraht ermöglicht ca. 10 mm.

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Bei geringem NahtöffnungswinkelDer generell breitere Lichtbogen bei der Fülldrahtschweißung sorgt für einwandfreie Flankenerfassung und ermöglicht auch bei engen Nahtquerschnitten hohe Sicherheit bezüglich Bindefehler/Kaltstellen.

Bei WurzelschweißungenIm Kurzlichtbogen mit Spaltbreiten bis 5 mm oder mittels Impuls unter Schutzgas Argon + 2 % O2. (4-5 fach rascher als mit WIG (in waagrechter Position).

Eignung für die MechanisierungDurch die nahezu schlackenfreien Schweißraupen wird das Schweißen mehrerer Lagen ohne Zwischensäuberung möglich. Dies bedeutet ideale Voraussetzungen für die automatische Schweißung.

Die wirtschaftliche Einsatzmöglichkeit dieses Fülldrahtes er- gibt sich somit anwendungsspezifisch im Behälter-, Stahl- Maschinen-, Fahrzeug- und Schiffbau vor allem bei waag- rechter/horizontaler Schweißung.

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Massivdraht Billig xxx HL 50-FD0

5

10

15

20

DM

/m

LohnkostenInvestitionskostenKosten Zusatzwerkstoff

4,31

6,056,6

Massivdraht Billig xxx HL 50-FD012345678

m/S

td.

Leistung/Std.

Drahtdurchmesser: 1,2 mm, 2F, a = 5 mm

91,2 % 83,6 % 78,9 %

5,5 %

18 %

< 3,3 %

13,1 %

Schweißkosten - Analyse

• • NAHTGEOMETRIEMassivdraht 1,2 mm < 280 A, darüber sackt Naht abOerlikon M10 1,2 mm < 250 A, darüber sackt Naht abBöhler HL 50-FD 1,2 mm 300-320 A bei guter Nahtgeometrie

Drähte mit höherem Füllgrad sichern die Nahtform bei höheren Stromstärken!

Kehlnähte, horizontal, a =6 mm

Böhler HL 50-FD Ø 1,6 mm in 1 Lage 1 Meter in 4 Minuten (300 A, 29 V, 5,5 m/min)

SG 2/ER 70 S-6 Ø 1,2 mm in 2 Lagen1 Meter in 4,66 Minuten (270 A, 29 V, 10 m/min)

Mehrleistung 16 % ! Einsparung ATS 56,-/Std. bei Lohnkosten von ATS 350,-/Std.

WENIG SPRITZER, WENIG NACHARBEIT

Metallpulverdraht (unlegiert)Kehlnähte, horizontal, a = 5 mm

Gleichschenkelige Naht Durchgesackte Naht

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FülldrahtelektrodeBöhler HL 52-FD (AWS A 5.29: E 70 C-GM H4)

• Metallpulver-Typ wie HL 50-FD, enthält jedoch ca. 0,9 % Nickel

• Die vorteilhafte Anwendung ist bei hohen Forderungen an die Kerbschlagarbeit bis zu -50°C, Wanddicke max. 60 mm

• HL 52-FD ist eine wirtschaftlich interessante Alternative zu basischen Drähten durch die höhere Ausbringung, schlackenarme Schweißung und leichtere Handhabung im Vorteil.

• Kann mit +Pol und -Pol verschweißt werden.

• Im übrigen gelten die Charakteristiken wie bei HL 50-FD.

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65

115 120130

150170

-50 -40 -30 -20 0 +20

Prüftemperatur °C

0

50

100

150

200

Kerbschlagarbeit, Joule

80 Cr/20CO2

FülldrahtelektrodeBöhler HL 52-FD (AWS A 5.29: E 70 C-GM H4)

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BASISCHE FÜLLDRÄHTE

sehr gute mechanische Eigenschaften

porensicher relativ unempfindlich gegen Verunreinigungen

genaue Einstellung der Parameter erforderlich(kleine Parameterbox)

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FülldrahtelektrodeBÖHLER Kb 52-FD

AWS A 5.29, E 71T5-G

Basischer FD mit 0,8 % Nickel

Für wirtschaftliche Positions-schweißungen am G, -PolBesonders für hohe mechanisch- technologische Eigenschaften

Kerbschlagarbeit bei -60°C > 54 Joule

Niedrigster Wasserstoffgehalt ( < 3 ml/100g)

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FülldrahtelektrodeBÖHLER Kb 52-FD

AWS A 5.29, E 71T5-G

Für Qualitätsschweißungen hochbean- spruchter, dickwandiger Bauteile

Auch für Wurzelschweißungen mit undohne Keramikunterlagen

Eignung auch bei geprimerten Ober-flächenFür Schutzgas Argon + 15-25 % CO2

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Praktische Hinweise

Fülldrähte schmelzen rascher ab als Massivdrähte.Der Brenner muss daher schneller gezogen werden.

Strichraupen oder nur geringe Pendelbewegungbringen Vorteile in der Schweißgut-Kerbschlag-arbeit (Umkörnung).

Der Brenner kann „schleppend“ oder „stechend“ geführt werden. Bessere Bad- und Schlacken-kontrolle bei „schleppend“.

Stechendes Schweißen ergibt flachere Nähte, etwas geringeren Einbrand (nur für Dünnbleche oder Kehlnähte mit kleinem a-Maß).

Kleinere Nahtöffnungswinkel z.B. 50° sind bei Wanddicken bis 15 mm möglich.

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Praktische Hinweise

Die Stromquelle muss ausreichend dimensioniertsein, damit die Leistungsvorteile genützt werdenkönnen.

Drahtvorschubgerät soll glatte Antriebsrollen auf-weisen, 4 Rollenantrieb von Vorteil.

Schutzgasmenge 15 - 20 l/min.Gasdüse sollte 15 mm Innendurchmesser habenund 4-6 mm über die Kontaktdüse hinausgehen.

Die Parameterauswahl ist durch die große Para-meter-Box bei Fülldrähten einfach. Ti 52-FD arbeitet nur im Sprühlichtbogen. HL 50-FD undHL 52-FD schweißen auch im Kurzlichtbogenbe-reich (16-21 Volt) sehr gut.Der Mischlichtbogen ist durch Wahl einer höheren Spannung (ab ca. 25 Volt) umgehbar.

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Anwendungsbeispiele

Einschweißen von Rohrenin eine Rohrplatte mit HL 52-FD

Bei kleineren Wanddicken idealmit Ti 52-FD

Einschweißen von Rohrstutzen inBehälter mit Ti 52-FD

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Anwendungsbeispiele

Heften und Schweißenvon Mantel-Rundnähtensowie Versteifungsringen

Schweißen von Rohrhalbschalen

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Kehlnähte in allen Variationen

Zwangslagen mit BÖHLER Ti 52-FD !Waagrecht und horizontal mit:

BÖHLER HL 50-FDBÖHLER HL 52-FD

Anwendungsbeispiele

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SCHWEISSEN AM MINUSPOL mit BÖHLER Kb 52-FD

Besserer Einbrand als mit + Pol-DrähtenErmöglicht flache, nicht überhöhte Steignähte (schwierig mit + Pol-Drähten)Vorteil - weniger SchleifarbeitEtwas größere Parameterbox als WettbewerbSchweißen auf Primer < 20 µm mit max. 40 cm/minKb 52-FD kann auch mittels T.I.M.E. verschweißt werdenSCHWEISSMASCHINEN

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STAHLBAU / CONSTRUCTION

Überdachung / Roof ConstructionUnlegierte Werkstoffe / non alloy materials

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ENERGIEWIRTSCHAFT/POWER INDUSTRY

Wehrsegment /Section of Mayable Dam Unegierte Werkstoffe/non alloyed materials

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TRANSPORT / TRANSPORT INDUSTRY

Unlegierte Werkstoffe / non alloy materials

Hochleistungs-Drehgestellfür Eisenbahnzüge

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EN 758: Fülldrahtelektroden zum Metall-Lichtbogenschweißen mit und ohne Schutzgas von

unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen - EINTEILUNG

Bezeichnung einer Fülldrahtelektrode (T) für das Lichtbogenschweißen, deren Schweißgut eine Mindeststreckgrenze von 460 N/mm² aufweist, eine Mindestkerbschlagarbeit von 47 Joule bei –30°C (3) erbringt und eine chemische Zusammensetzung von 1,1 % Mn und 0,7 % Ni (Ni) hat. Die Fülldrahtelektrode des basischen Typs (B) wird unter Mischgas (M) verschweißt und ist geeignet für Stumpf- und Kehlnähte in Wannen-position (4). Der Wasserstoffgehalt überschreitet nicht 5 ml/100 g aufgetragenes Schweißgut (H5).

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EN 758: Fülldrahtelektroden zum Metall-Lichtbogenschweißen mit und ohne Schutzgas von

unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen - EINTEILUNG

Bezeichnung einer Fülldrahtelektrode (T) für das Lichtbogenschweißen, deren Schweißgut eine Mindest-streckgrenze von 460 N/mm² aufweist, eine Mindestkerb-schlagarbeit von 47 Joule bei –30°C (3) erbringt und eine chemische Zusammensetzung von 1,1 % Mn und 0,7 % Ni (Ni) hat.

Die Fülldrahtelektrode des basischen Typs (B) wird unter Mischgas (M) verschweißt und ist geeignet für Stumpf- und Kehlnähte in Wannenposition (4). Der Wasserstoff-gehalt überschreitet nicht 5 ml/100 g aufgetragenes Schweißgut (H5).

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EN 758: Fülldrahtelektroden zum Metall-Lichtbogenschweißen mit und ohne Schutzgas von

unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen - EINTEILUNG

Die Normbezeichnung lautet:

Hierbei bedeuten:

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Massiv- Ti 52-FD Ti 52-FD draht Ar + 18 % CO2 100 % CO2

Drahtförderung (m/min) 4.0 10.0 12.2 Strom (A) 160 230 230 Spannung (V) 18.0 28.7 30.5 Schweißgeschw. (cm/min) 12.0 26.5 31.5

+ 120 % + 162 %

Rutil-Fülldraht im Vergleich zu Massivdraht

Kehlnaht steigend, a = 4.5 mmDrahtdurchmesser 1,2 mm

Zusätzlich wesentlich geringere Spritzerbildungbei Fülldraht und entsprechend wenig Aufwand für die Nachbearbeitung !

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Abschmelzleistung im VergleichFülldraht/Massivdraht Ø 1,2 mm

• Das Schweißen mit Fülldraht zählt neben „UP“ zum produktivsten Verfahren der Schweißtechnik• Hohe Stromdichte (A/mm²), da Stromübergang fast nur über den dünnen Rohrmantel erfolgt.• Daher rascheres Abschmelzen und somit hohe Leistung

FD 1,2 IG (Si) 1,2

Theoretische Abschmelzleistung (100 % ED) kg/h

8

7

6

5

4

3

2

1100 200 300

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EN 439: Einteilung der Schutzgase für Lichtbogenschweißen und Schneiden

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0

5

10

15

20

25

30

[cm]

0

5

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20

25

30

[cm] (T 46 3 PM 1)

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25

30

[cm]

Massivdraht ø: 1,0 mm

(G3 Si1)

Massivdraht ø: 1,2 mm

(G3 Si1)

Fülldraht ø: 1,2 mm

Massivdraht, ø: 1,0 mmSchutzgas: M 21I: 140 A, U: 19,5 Vv: 5,5 m/minSchweißgeschwindigkeit: 9,8 cm/min

Massivdraht, ø: 1,2 mmSchutzgas: M 21I : 145 A, U: 19 Vv: 3,5 m/minSchweißgeschwindigkeit: 8,3 cm/min

Fülldraht, ø: 1,2 mmSchutzgas: M 21I : 250 A, U: 26,5 V

v: 9,0 m/minSchweißgeschwindigkeit: 25,3 cm/min