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Einrichtung für die Herbeiführung einer selbsttätigen Formierung an Lichtbogenelektroden.
Durch ältere Untersuchungen an Lichtbogenstromrichtern bzw. an Elektroden für Lichtbogenschweissung ist bereits bekannt, dass die Bedingungen für die Existenz des Lichtbogens dann am günstigsten sind, wenn die Elektroden mit einer Oxydschicht bedeckt sind. Da eine derartige Oxydschicht aber während des Betriebes durch Durchschläge, Abbau usw. leicht zerstört werden kann, ist dafür Sorge zu tragen, dass während des Betriebes die Oxydschicht auf den Elektroden immer wieder neu gebildet (neu formiert) wird.
Die Erfindung ermöglicht dies dadurch, dass als Elektrodenmaterial eine Legierung aus mindestens zwei Metallen vorgesehen ist, von denen hauptsächlich das eine die Formierung durch Bildung dünner Oberflächenschichten bewirkt und das andere nicht oder nur wenig zur Bildung von Formierungschichten neigt und damit einen übermässig starken Abbrandverlust verhindert.
Gemäss der Erfindung kann beispielsweise die Elektrode aus zwei Metallen in feinster Verteilung (z. B. aus einer eutektischen Legierung) hergestellt werden. Eine der Komponenten soll hiebei die Eigenschaft aufweisen, im Zusammenwirken mit dem Betriebsgas bei Erhitzung durch den Lichtbogen dünne Formiersehichten zu bilden, die hinsichtlich elektrischer und Wärmeleitfähigkeit von reinem Metall abweichen. Die andere Komponente der Legierung muss eine geringere Neigung zur Bildung solcher Formierungsschichten besitzen bzw. bei ihr müssen diese Schichten leichter abbaufähig sein als bei der ersten Komponente. Besonders vorteilhaft ist die Wirkung des zweiten Legierung bestandteils dann, wenn er nicht nur den Abbrandverlust des andern Bestandteils einschränkt, sondern auch als Überträger des aggressiven Gases wirkt.
Diese Wirkung ist deshalb möglich, weil die Schichten beim zweiten Legierungsbestandteil leichter abbaufähig sind als beim ersten. Das Betriebsgas besteht zweckmässigerweise ebenfalls aus einer Mischung, beispielsweise Luft, deren eine Komponente möglichst inaktiv ist, während die andere auf die vorbeschriebene Schichtenbildung hinwirkt. Der Anteil des aggressiven Mischungsbestandteiles soll hiebei jedoch möglichst nicht grösser sein als für eine hinreichende Sehiehtenbildung erforderlich ist, um sonstige zerstörende Wirkungen (Korrosion, ver-
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Anlage mit reinem inaktivem Gas zu betreiben, wenn an einer beliebigen Stelle, etwa durch den Hauptoder den Hilfslichtbogen, ein aggressives Gas aus einem festen Körper, beispielsweise aus Kupferoxyd, oder einer Flüssigkeit freigemacht wird.
Bei der Abstimmung sämtlicher veränderlicher Grössen ist die für die Formierung zur Verfügung stehende Zeit (Brennpausen beim Stromrichterbetrieb) zu berücksichtigen, ferner die während der Belastungszeit an der Formierschicht auftretende Beanspruchung. Auf diese Weise ermöglicht die Erfindung, dass auf dem reinen Elektrodenmaterial sehr dünne Schichten verschiedener elektrischer und Wärmeleitfähigkeit gebildet werden und dass diese Schichten, soweit sie durch den Betrieb zerstört werden, beim Einsetzen jedes neuen Betriebsvorganges, für den die Formierschichten benötigt werden, bereits wieder erneuert sind. Dadurch kann die Lebensdauer der Elektroden, die beispielweise beim Lichtbogenstromrichter eine grosse Rolle spielt und im wesentlichen massgebend ist für die Dauer eines unausgesetzten Betriebes, wesentlich vergrössert werden.
Um den Erfindungsgedanken an einigen Beispielen besser erläutern zu können, sei angenommen, die Elektroden bestehen aus einer Legierung von Silber oder Gold mit Kupfer, Mangan und/oder Erdalkalimetallen, Metallen der seltenen Erden usw. Anderseits bestehe das Betriebsgas aus einer Mischung von Stickstoff und Sauerstoff mit oder ohne einen bestimmten Anteil an Kohlenoxyden oder aus Kohlensäure allein. In allen Fällen wird ein bestimmter Sauerstoffanteil im Gasumlauf vorhanden sein, der auf die angreifbare Komponente der Legierung, also beispielsweise das Kupfer oder das Erdalkalimetall einwirkt und eine Schicht von Oxyd über dem Elektrodenmetall zu bilden bestrebt ist.
Die Bildung dieser Schicht wird anderseits durch die Anwesenheit des andern Legierungsbestandteiles Silber oder Gold o. ä. beschleunigt, da insbesondere Silber als Sauerstoffüberträger wirkt, jedoch in bestimmten und durch die Zusammensetzung der Legierung genau zu beherrschenden Grenzen gehalten.
Abgesehen von den bereits erwähnten Vorteilen erhält man durch die Bildung von Formierungschichten auf der Oberfläche der Elektroden gemäss der Erfindung noch den Vorteil, dass der Licht-
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bogen nicht so leicht an einer Stelle der Elektroden festbrennen kann. Besteht die Elektrode nämlich aus einem einzigen Metall, beispielsweise aus Kupfer, so wird beim Vorhandensein von Sauerstoff zwar die Elektrodenoberfläche von einer Oxydschicht (Kupferoxydschicht) bedeckt, die die Existenz des Lichtbogens begünstigt. Das Oxyd, also beispielsweise das Kupferoxyd, hat aber eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit als das reine Metall, also beispielsweise das Kupfer. Es kann daher an der von dem Oxyd bedeckten Stelle der Elektrode eine Wärmestauung eintreten, die ein Festbrennen des Lichtbogens begünstigt.
Werden auf der Oberfläche der Elektrode jedoch gemäss der Erfindung nicht eine Oxydschicht eines einzigen Metalles, sondern mit Hilfe von zwei Metallen Formierungsschichten gebildet, welche aus Metallen und Metalloxyden bestehen können, so wird zwar durch das Metalloxyd die Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem reinen Metall ebenfalls verringert. Man kann aber hiebei durch entsprechende Abstimmung zwischen den einzelnen Komponenten erreichen, dass die die Wärmeleitfähigkeit herabsetzende Metalloxydschicht gering und damit die Verringerung der Wärmeleitfähigkeit in zulässigen
Grenzen bleibt.
Durch die Formierungsschichten gemäss der Erfindung wird das Kathodenfallgebiet so stark vermindert, dass eine Ersetzung thermischer Emissionsbedingungen durch vorwiegend feldmässig bestimmte Emissionsbedingungen eintritt.
Der für eine Bildung der Formierungsschichten nach dem erwähnten Beispiel günstigste Sauerstoffgehalt liegt etwa zwischen 1 und 3%. Bei Verwendung eines Gasgemisches von höherem Sauerstoffgehalt als 3% kann man auch fortlaufend oder periodisch einen Teil des Umlaufgases abblasen, um eine Anreicherung mit Stickoxyden, die sich unter der Einwirkung des Lichtbogens bilden, zu vermeiden. Um die schädlichen Einwirkungen eines zu hohen Sauerstoffgehaltes während der Oxydbildung zu verhindern, kann auch der Anteil desjenigen Bestandteiles, der die Abbrandverluste herabsetzt, also beispielsweise des Silbers, vergrössert werden. Hiedurch verschiebt sich der höchstzulässige Sauerstoffgehalt nach oben.
Anderseits kann auch, wenn solche Substanzen oder Gase, beispielsweise Kohlendioxyd, mit dem Lichtbogen in Berührung kommen, die selbst Sauerstoff abspalten, der Gehalt an freiem Sauerstoff im Umlaufgas geringer als vorstehend angegeben sein. Wesentlich für die Verwirklichung der
Erfindung ist, an den Liehtbogenfusspunkten die hinreichende Menge Sauerstoff bzw. Oxyd zur Bildung der Formierungsschichten und diese Menge in möglichst konstanter Grösse zur Verfügung zu haben.
Hiebei soll der restliche Teil der Gasmischung aus solchen Gasen bestehen, die nicht durch zusätzliche
Reaktionen den Betrieb der Lichtbogenstromrichter gefährden. Falls unerwünschte Reaktionen des
Gases nicht ganz zu vermeiden sind, so kann man durch bekannte Mittel diesen Reaktionen derart entgegenwirken, dass das Gas an der Zuströmseite zum Lichtbogenraum, also nachdem das Gas den gesamten Umlauf durchlaufen hat, wieder die ursprüngliche Zusammensetzung in annähernder Konstanz erhält. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise zur Verringerung des Sauerstoffgehaltes beheizte Kupferspiralen in die Gasumlaufleitung einschalten.
Durch die erfindungsgemässen Massnahmen lässt sich der Abbrand der Elektroden ganz wesentlich verringern und die gemäss der Erfindung vorgesehenen Formierungsschichten bilden einen Schutz gegen Zerstäubungserscheinungen und korrodierende und andere chemische Angriffe auf die Elektroden.
Ausserdem wird auch ein der Form nach erwünschter Abbrand erzielt, d. h. der Abbrand ist gleichmässig und findet in der Mitte der Elektroden statt, so dass es möglich ist, die Strömungsverhältnisse des Betriebsgases und gegebenenfalls auch die Zündungsverhältnisse des Hilfslichtbogens gut zu beherrschen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung für die Herbeiführung einer selbsttätigen Formierung an Lichtbogenelektroden, die sich in einem gasförmigen Medium befinden, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrodenmaterial eine Legierung aus mindestens zwei Metallen vorgesehen ist, von denen hauptsächlich das eine die Formierung durch Bildung dünner Oberflächenschichten bewirkt und das andere nicht oder nur wenig zur Bildung von Formierungssehichten neigt und damit einen übermässig starken Abbrandverlust verhindert.
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Device for bringing about automatic formation on arc electrodes.
From older studies on arc converters and electrodes for arc welding, it is already known that the conditions for the existence of the arc are most favorable when the electrodes are covered with an oxide layer. However, since such an oxide layer can easily be destroyed during operation by breakdowns, degradation, etc., care must be taken that the oxide layer on the electrodes is repeatedly formed (re-formed) during operation.
The invention makes this possible in that an alloy of at least two metals is provided as the electrode material, one of which mainly effects formation by forming thin surface layers and the other has little or no tendency to form formation layers and thus prevents excessive erosion loss.
According to the invention, for example, the electrode can be produced from two metals in extremely fine distribution (for example from a eutectic alloy). One of the components should have the property, in interaction with the operating gas, to form thin forming layers when heated by the arc, which differ from pure metal in terms of electrical and thermal conductivity. The other component of the alloy must have a lower tendency to form such formation layers or, with it, these layers must be more easily degradable than with the first component. The effect of the second alloy component is particularly advantageous when it not only restricts the burn-off loss of the other component, but also acts as a carrier for the aggressive gas.
This effect is possible because the layers of the second alloy component are more easily degradable than the first. The operating gas expediently also consists of a mixture, for example air, one component of which is as inactive as possible, while the other works towards the above-described layer formation. The proportion of the aggressive mixture component should, however, if possible, not be greater than is necessary for sufficient sight formation to avoid other destructive effects (corrosion,
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To operate the system with pure inactive gas if an aggressive gas is released from a solid body, e.g. made of copper oxide, or a liquid at any point, for example by the main or auxiliary arc.
When coordinating all variable quantities, the time available for formation (breaks in the converter operation) must be taken into account, as well as the stress that occurs on the formation layer during the loading time. In this way, the invention enables very thin layers of different electrical and thermal conductivity to be formed on the pure electrode material and that these layers, insofar as they are destroyed by operation, are already renewed at the start of each new operating process for which the forming layers are required are. As a result, the service life of the electrodes, which for example plays a major role in the case of an arc converter and is essentially decisive for the duration of uninterrupted operation, can be significantly increased.
In order to better explain the concept of the invention using a few examples, assume that the electrodes consist of an alloy of silver or gold with copper, manganese and / or alkaline earth metals, rare earth metals, etc. On the other hand, the operating gas consists of a mixture of nitrogen and oxygen with or without a certain proportion of carbon oxides or from carbonic acid alone. In all cases there will be a certain proportion of oxygen in the gas circulation which acts on the vulnerable component of the alloy, for example copper or the alkaline earth metal, and tries to form a layer of oxide over the electrode metal.
On the other hand, the formation of this layer is accelerated by the presence of the other alloy constituent silver or gold or the like, since silver in particular acts as an oxygen carrier, but is kept within certain limits that are precisely controlled by the composition of the alloy.
Apart from the advantages already mentioned, the formation of formation layers on the surface of the electrodes according to the invention also has the advantage that the light
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bent cannot easily burn in one place on the electrodes. If the electrode consists of a single metal, for example copper, the electrode surface is covered by an oxide layer (copper oxide layer) when oxygen is present, which favors the existence of the arc. The oxide, for example copper oxide, has a much lower thermal conductivity than the pure metal, for example copper. A build-up of heat can therefore occur at the point on the electrode covered by the oxide, which favors the arc sticking.
However, if, according to the invention, not an oxide layer of a single metal is formed on the surface of the electrode, but rather two metal formation layers, which can consist of metals and metal oxides, the thermal conductivity is also reduced by the metal oxide compared to the pure metal. However, by appropriate coordination between the individual components, one can achieve that the metal oxide layer which reduces the thermal conductivity is low and thus the reduction in the thermal conductivity is acceptable
Limits remain.
The formation layers according to the invention reduce the cathode drop area to such an extent that thermal emission conditions are replaced by emission conditions that are predominantly field-determined.
The most favorable oxygen content for forming the formation layers according to the example mentioned is approximately between 1 and 3%. If a gas mixture with an oxygen content of more than 3% is used, part of the circulating gas can also be blown off continuously or periodically in order to avoid an accumulation of nitrogen oxides that are formed under the action of the arc. In order to prevent the harmful effects of an excessively high oxygen content during the formation of the oxide, the proportion of that component that reduces the burn-off losses, for example silver, can also be increased. This shifts the maximum permissible oxygen content upwards.
On the other hand, if such substances or gases, for example carbon dioxide, come into contact with the arc, which themselves split off oxygen, the content of free oxygen in the circulating gas can also be lower than indicated above. Essential for the achievement of the
The invention is to have a sufficient amount of oxygen or oxide at the base of the arch to form the formation layers and to have this amount available in as constant a size as possible.
The remaining part of the gas mixture should consist of gases that are not due to additional
Reactions endanger the operation of the arc converter. If unwanted reactions of the
Gases cannot be completely avoided, these reactions can be counteracted by known means in such a way that the gas on the inflow side to the arc chamber, i.e. after the gas has passed through the entire cycle, regains its original composition with approximately constancy. For this purpose, for example, heated copper spirals can be switched on in the gas circulation line to reduce the oxygen content.
By means of the measures according to the invention, the erosion of the electrodes can be reduced quite substantially and the formation layers provided according to the invention form protection against sputtering phenomena and corrosive and other chemical attacks on the electrodes.
In addition, a burn-off that is desired in terms of shape is achieved; H. the burn-off is uniform and takes place in the middle of the electrodes, so that it is possible to control the flow conditions of the operating gas and, if necessary, also the ignition conditions of the auxiliary arc.
PATENT CLAIMS:
1. Device for bringing about automatic formation of arc electrodes which are located in a gaseous medium, characterized in that an alloy of at least two metals is provided as the electrode material, one of which mainly effects formation by forming thin surface layers and the other has little or no tendency to form formation layers and thus prevents an excessively strong loss by burning.