<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
Für die Liehtbogensehweissungen von Kupfer konnten bisher nur Elektroden benutzt werden, die neben Kupfer erhebliche Mengen von andern Metallen enthielten, z. B. Bronzestäbe. Es ist infolgedessen von vornherein unmöglich, der Schweiss in mechanischer und chemischer Beziehung die Eigenschaften des Grundwerkstoffes zu verleihen.
Alle Versuche, Werkstücke aus Metallen hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer und seine Legierungen, mit Elektroden aus reinem Kupfer oder solchen mit sehr geringen Beimengungen elektrisch zu schweissen, wie es bei der Autogenschweissung üblich ist, haben zu keinem befriedigenden Ergebnis geführt, vielmehr zeigte die Schweissnaht in jedem Falle zahlreiche ungebundene Stellen und war mit Schlacken und Poren so stark durchsetzt, dass sie nur geringe mechanische Eigenschaften hatte. Diese Schwierigkeiten sind vor allem durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers oder seiner Legierungen bedingt, denn die der Schweissstelle durch den Lichtbogen zugeführte Wärme wird zu rasch in das Werkstück abgeführt, so dass an der Schweissstelle selbst die Erwärmung nur ungenügend ist.
Bisher ist nun versucht worden, diese Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, dass die Schweissstelle dur h eine zweite Wärmequelle, z. B. durch einen Schweissbrenner, dauernd vorgewärmt wurde.
Dadurch wurde es möglich, der Schweissstelle so viel Wärme zuzuführen, dass wenigstens bei der Verwendung eines Bronzestabes ein genügend grosses Schmelzbad erzielt werden konnte, bei einem Kupferstab aber war auch die Vorwärmung unzureichend. Durch die Vorwärmung entstehen aber wiederum Nachteile, wie z. B. infolge der starken Wärmeausdehnung und der Schrumpfkräfte des Werkstückes, die bei starren oder eingespannten Stücken zur Bildung von Rissen führen können. Die Vorteile der Metall-Lichtbogenschweissung-punktförmige Wärmezufuhr an der Schweissstelle und infolgedessen geringe Wärmespannungen-wurden dadurch zunichte gemacht.
Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, die Vorteile der Metall-Lichtbogenschweissung auch für die Schweissung von Werkstücken aus Kupfer und seinen Legierungen zur Geltung zu bringen.
Sie beruht nach den obigen Ausführungen auf der Erkenntnis, dass die wegen der Eigenschaften des Kupfers u. dgl. notwendige Steigerung der Wärmezufuhr-wenn die Vorwärmung fortfallen solldurch den Lichtbogen allein erfolgen muss. Zunächst wurde durch planmässige Versuche festgestellt, dass die aus den physikalischen Konstanten ersichtliche, erforderliche hohe Energiemenge, die das Kupfer in den Schmelzfluss versetzt, nur mit Hilfe eines sehr langen Lichtbogens übertragen werden kann, wenn keine zusätzliche Energiequelle sonst verwendet werden soll.
Im Gegensatz zu dem bei der Metall-Lichtbogenschweissung bisher ausschliesslich verwendeten kurzen Lichtbogen von 2 bis höchstens 5 mm Länge ist bei diesem neuartigen Verfahren der Lichtbogen mindestens 10 bis praktisch etwa 40 mm lang, kann jedoch in Sonderfällen noch wesentlich länger sein. Ein so langer Lichtbogen kann natürlich nur mit Strom von vergleichsweise hoher Spannung erzeugt werden. Die Erfindung verwendet daher Strom von mindestens 40 Volt, vorzugsweise 70-80 Volt ; doch können noch höhere Spannungen Anwendung finden.
Wenn jedoch nach dieser Vorschrift eine nackte Kupferelektrode verschweisst wird, findet auf dem langen Wege, den die abgeschmolzenen Tropfen zurücklegen müssen, eine erhebliche Oxydation und Gasaufnahme statt. Es werden infolgedessen Nähte mit vielen Poren und Oxydul gebildet.
<Desc/Clms Page number 2>
Nun sind zwar Elektroden mit einer Umhüllung entweder aus einem leitenden Stoff oder aber aus mit Silikaten getränktem Papier bereits bekannt. Erstere eignen sich aber keineswegs zum Schweissen von Werkstücken aus Metallen hoher Wärmelitfähigkeit, sondern können nur zur Auftragsschweissung von Kupfer auf Eisen benutzt werden, ein Verfahren, welches bedeutend einfacher durchzuführen ist als die Verschweissung zweier Werkstücke aus Kupfer, weil Eisen ein beträchltich schlechterer Wärmeleiter ist als Kupfer. Die mit einer Umhüllung aus Papier versehene Elektrode hat den in der Schweisstechnik allgemein bekannten Zweck, die Zuleitung eines reduzierenden und mithin das flüssige Metall vor Oxydation schützenden Gases, wie Kohlenoxyd bzw. Kohlendioxyd, zu gewährleisten.
Die Tränkung mit Silikaten erfolgt dabei lediglich zur Herabsetzung der Verbrennungsgeschwindigkeit der Papierhülle. Wenn beim Schweissen mit einer solchen Elektrode die Hülle als Rand über den metallischen Kern übersteht, wirkt der Rand nicht anders als bei der an sich bekannten KjelbergElektrode, die für die Eisenschweissung Verwendung findet, und deren Umhüllungsmasse kraterähnlich über das Ende der Elektrode hinausragt, um bei nach oben gerichtetem Elektrodenende einen Behälter für den Metalltropfen zu bilden und dessen Abwärtsfliessen zu verhindern.
Die bei der Verwendung derartiger Elektroden benutzte Spannung soll dabei zwecks Verlängerns des Lichtbogens erhöht werden, doch handelt es sich hier lediglich um eine Verlängerung des Lichtbogens im Vergleich zu dem Lichtbogen zwischen Elektroden ohne Umhüllung, dessen Länge höchstens 2 mm beträgt. Bei den bekannten Elektroden, beispielsweise den Kjelberg-Elektroden, steht die Umhüllung um einen Betrag von etwa dem halben Durchmesser der Elektrode über, so dass beispielsweise bei einer Elektrode von 6 mm Durchmesser und einem schmalen Spalt zwischen Elektrode und Werkstück von etwa 1 mm eine Lichtbogenlänge von 4 mm entsteht.
Mit den bekannten umhüllten Elektroden kann aber ein Lichtbogen von der oben angegebenen, für die Zwecke der Erfindung erforderlichen Länge nicht gehalten werden, da er sehr unruhig ist, umhertanzt und dabei das abschmelzende Elektrodenmaterial verspritzt. Der Lichtbogen wechselt dauernd seine Berührungsstelle auf dem Werkstück, so dass-eine Aufschmelzung des Grundmaterials nicht erfolgen kann.
Durch die Erfindung werden nun aber auch diese Schwierigkeiten restlos beseitigt.
Als Zusatzdraht wird ein Stab aus Elektrolyt-oder schwach legiertem Kupfer verwendet, wie er bei der Autogenschweissung von Kupfer üblich ist. Solche Zusatzdrähte sind bekanntlich Legierungen, die im allgemeinen weniger als 2% Fremdstoffe enthalten. Durch solche kleinen Legierungsbestandteile wird die Gaslöslichkeit und Oxydbildung schon vermindert und der Fluss verbessert. Im Laufe der Untersuchungen ergab sich, dass für besondere Zwecke (Überkopfschweissung u. a. ) der Stab der Elektrode gemäss der Erfindung auch aus Bronze bestehen kann.
Als Umhüllungsmasse für die Kupferelektroden wurde bei der Erfindung von bewährten Flussmitteln der Autogenschweissung ausgegangen. Diese Flussmittel bestehen beispielsweise in der Hauptsache aus einem Gemisch von Borverbindungen und Alkaliphosphaten mit kleineren Zusätzen von Fluoriden und Chloriden. Das Grundgemisch dieser Flussmittel ist bekanntlich so gewählt, dass diese verhältnismässig niedrig schmelzen und auch für Legierungen, die bei 850-900'flüssig werden, geeignet sind.
Durch Änderung dieser Gemische, z. B. durch Steigerung des Gehaltes an schwer schmelzbaren Alkaliphosphaten, wurden Schmelzpunkt und Wirkungstemperatur in die Nähe des Schmelzpunktes des Kupfers verlegt. Das Schmelzpunktintervall beträgt etwa 850-1060 . Die Zusammensetzung der Umhüllungsmasse ist beispielsweise : 50 Teile Borsäure, 35 Teile Natriumphosphat, 6 Teile Kochsalz, 6 Teile Kryolith, 3 Teile Glas.
Eine mit einer solchen Umhüllung versehene Elektrode zeigt als wichtigstes Merkmal der Erfindung, dass bei ihrem Verschweissen die Umhüllung in einem solchen Masse später absehmilzt als der Metallstab, dass die Umhüllung ein schlauchartiges Ende bildet, in dem der Lichtbogen die Gesamtheit oder einen Teil seines Weges zurücklegt. Die Länge dieses Schlauches beträgt das Ein-bis Sechsfache des Metallstabdurchmessers.
Dadurch werden folgende Vorteile erreicht :
1. Der Lichtbogen wird beruhigt und in eine bestimmte Richtung (Achsrichtung der Elektrode) gelenkt.
2. Die abschmelzenden Tropfen der Elektrode verspritzen nicht mehr. Der Tropfen wird durch den Schlauch-wie die Kugel in einem Pistolenlauf-in eine bestimmte Richtung gelenkt, u. zw. in die des Lichtbogens, wodurch er die von dem Lichtbogen aufgeschmolzene Stelle des Werkstückes trifft.
3. Der Tropfen wird dem Einfluss der Luft entzogen, indem er sich anfangs in dem schlauchartigen Ende der Umhüllung, später im Innnern des Lichtbogens bewegt.
Dadurch wird die Schweiss dicht und oxydulfrei und überall eine einwandfreie Bindung erzielt.
Die Bildung des schlauchartigen Endes beim Schweissen mit einer Elektrode gemäss der Erfindung wird erreicht durch die Wahl und die Menge der zugesetzten hochschmelzenden Alkaliphosphat und ähnlicher Salze, oder durch die Regelung der Wandstärke der Umhüllung ; oder aber durch Abstimmung von Schmelzpunkt und Wandstärke zueinander,
<Desc/Clms Page number 3>
Die Aufbringung der oben näher beschriebenen Umhüllungsmasse auf den Elektrodenstab kann z. B. dadurch erfolgen, dass die Masse in einem Lack aus Alkohol und Nitrozellulose gelöst bzw. aufgeschlämmt und dann der Metallstab von z. B. 4 mm Durchmesser so oft darin eingetaucht wird, bis der Gesamtdurchmesser der Elektrode 6-7 mm beträgt.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht schliesslich in der Aufbringung einer besonderen zusätzlichen Schicht auf den Metallstab, die den Schutz des vom Draht abgeschmolzenen Metalls vor Oxydation noch weiter verbessern soll. Durch eingehende Versuche wurde nämlich festgestellt, dass Umhüllungsstoffe, die reduzierende Eigenschaften haben oder in der Hitze inerte Gase entwickeln, beim Schweissen zur Bildung eines Gasstromes führen, der das abschmelzende Ende des Metalldrahtes und den Lichtbogen schlauchartig umhüllt und schützt.
In der beigefügten Zeichnung ist diese Erscheinung schematisch verdeutlicht, u. zw. ist bei diesem Ausführungsbeispiel 1 der Kupferstab, 2 eine dünne Umhüllung aus schlackenbildenden und den Fluss fördernden Mitteln etwa der oben angegebenen Zusammensetzung ; 3 ein Mantel aus einer Masse, die beim Erhitzen ein reduzierendes oder inertes Gas erzeugt, und 4 ist der äussere Mantel, der bei diesem Ausführungsbeispiel dieselbe Zusammensetzung hat wie der Mantel 2, und der beim Schweissen das schlauchartige Ende bildet. Die Schicht 2 kann z. B. dadurch erzeugt werden, dass die Elektrode in eine Natriumoxalsäurelösung getaucht wird ; es kann aber auch jede andere z. B. Ammoniumnitrit, Naphtaline, Paraffine, Zellstoff usw. enthaltende Masse, die in der Hitze ein reduzierendes oder inertes Gas absondert, wie z. B. Kohlenoxyd, Kohlensäure, Stickstoff u. a., verwendet werden.
Die Zeichnung lässt die Wirkung des sich beim Schweissen in dem schlauchartigen Umhüllungsende bildenden Gasmantels 9 erkennen.
Der elektrische Lichtbogen 8, der sich zwischen dem Ende des Metallstabes 1 und der Oberfläche des zu schweissenden Werkstückes 10 ausbildet, befindet sich innerhalb des schlauchartigen Endes 7 der Schicht 4 und wird von diesem gelenkt und ruhig gehalten. Unter der Einwirkung seiner Hitze schmilzt das Ende des Stabes 1 ab und bildet den Metallstrom 6, der mit Schlacke aus der Schicht 2 untermischt ist.
Die Schicht 3, die aus Stoffen zusammengesetzt ist, welche ein reduzierendes Gas entwickeln, schmilzt etwas zeitiger als der Metallstab 1 und gibt ihr Gas in den ringförmigen Hohlraum 5 ab, von wo es nach unten und aussen strömt und den Gasringstrom 9 bildet, der den Lichtbogen 8 umgibt, und so das im Inneren des Lichtbogens fliessende Schweissmaterial 6 vor der Berührung mit der Luft und damit vor Oxydation schützt.
Die Erfindung wurde auch auf Legierungen mit hohem Kupfergehalt, z. B. Bronzen, angewendet, wobei die Legierung für die Elektrodenstäbe-entsprechend den Erfahrungen der Autogenschweissung- dem zu schweissenden Werkstoff entsprach. Die Wirkungstemperatur und der Schmelzpunkt der Umhüllungsmasse wurden nach den obigen Vorschriften ebenfalls den Schmelzpunkten dieser Werkstoffe angeglichen. Hiedureh ist es möglich geworden, auch an diesen Werkstoffen praktisch brauchbare Schweissungen vorzunehmen entsprechend dem Grundgedanken der Erfindung, die elektrische Lichtbogenschweissung für Werkstücke aus Metallen von sehr hoher Wärmeleitfähigkeit anwendbar zu machen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrode für die Metall-Lichtbogenschweissung für Werkstücke aus Metallen hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer und seine Legierungen, welche mit einer Umhüllung aus nicht leitenden Stoffen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die schmelzpunkterhöhenden Zusätze in der Umhüllung in solcher Menge zugegen sind oder dass die Umhüllung eine solche Wandstärke aufweist oder dass Schmelzpunkt und Wandstärke so abgestimmt sind, dass die Umhüllung beim Schweissen infolge späteren Abschmelzens als der Metallstab ein schlauchförmiges Ende bildet, dessen Länge dem Ein-bis Sechsfachen des Metallstabdurchmessers entspricht.