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Schwer schmelzbare Lichtbogen-Schweisselektrode
Die Erfindung betrifft eine schwer schmelzbare Metallelektrode zum Lichtbogenschweissen mit einem inerten Schutzgas, wobei zwischen einer Hilfselektrode und der Schweisselektrode ein Zündlichtbogen gebildet wird.
Beim Zünden mit einem Zündlichtbogen in der ursprünglich vorgesehenen Weise war es notwendig, den Zündlichtbogen zu zünden, indem mittels eines Wolframstückes ein Kurzschluss zwischen der
Schweisselektrode und einer Hilfselektrode hergestellt wurde. In neuerer Zeit wird mit einem induktiv erzeugten Impuls gezündet, wobei die Induktivität einer im Stromkreis des Zündlichtbogens liegenden
Glättungsdrossel zur Erzeugung eines Impulses von mehreren tausend Volt führt, der genügt, um die Strecke zwischen der Schweisselektrode und der Hilfs- oder Zündelektrode zu überbrücken, so dass ein
Zündlichtbogen gebildet wird.
Bei Verwendung eines Schweissbrenners mit normaler Polarität (Elektrode negativ), enthält die Schweisselektrode normalerweise 1 oder 2% thoriertes Wolfram. In einem solchen Fall erhält man eine zuverlässige Impulszündung. Beim Schweissen von Aluminium arbeitet man gern mit Wechselstrom und wird an Stelle einer thorierten Elektrode eine Reinwolframelektrode bevorzugt, weil die thorierte Elektrode dazu neigt, an ihrem Arbeitsende zahlreiche Kügelchen auszubilden, die leicht abbrechen und die Stabilität des Lichtbogens beeinträchtigen. Reinwolframelektroden haben diesen Nachteil nicht, weil sich am Arbeitsende der Elektrode nur eine einzige Kugel bildet, welche die Stabilität des Wechselstromlichtbogens erhöht.
Bei dem Versuch der Anwendung der Impulszündung bei Reinwolframelektroden erhält man jedoch keine genügende Elektronenemission, so dass es schwierig ist, einen stabilen Zündlichtbogen zu erzeugen. Selbst wenn der Zündlichtbogen gezündet wird, erlischt er im allgemeinen nach einem Zeitraum von wenigen Sekunden bis einer Minute. Unter Umständen kann man eine neueReinwolframelektrode, die an ihrem stumpfen Ende scharfe Kanten hat, mit einem Impuls zünden, während spätere Versuche zum Zünden und Aufrechterhalten eines Zündlichtbogens durch das kugelige Ende erschwert werden, das sich unter der Wirkung des Schweisslichtbogens ausbildet.
Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass beim Vorhandensein nur geringer Verunreinigungen auf einer sonst aus Reinwolfram bestehenden Elektrode die Elektronenemission anscheinend auf einen so hohen Wert gebracht wird, dass eine einwandfreie Impulszündung und die Aufrechterhaltung eines stabilen Zündlichtbogens möglich wird. Beim darauf folgenden Schweissen werden diese Verunreinigungen im allgemeinen unter der Wirkung des Schweisslichtbogens verbrannt oder entfernt, so dass die Impulszündung und die Aufrechterhaltung eines Zündlichtbogens wieder stark in Frage gestellt werden.
Da zur Erzielung befriedigender Ergebnisse anscheinend nur eine geringe Menge von Verunreinigungen erforderlich ist, nahm man an, dass eine mit 1/2% thorierte Elektrode einerseits eine genügende Zündemission haben würde und anderseits wie eine Reinwolframelektrode eine Kugel ausbilden würde. Daher wurden Versuche mit in
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Ende der Elektrode wie bei Reinwolfram eine Kugel ausbildete.
Da sich Elektroden mit einem Gehalt von 0,5'Cfo Thoriumoxyd im wesentlichen wie Reinwolframelektroden verhielten, d. h., dass sie ein kugeliges Ende bildeten und keine unerwünschte Lichtbogen- wirkung zeigten, beeinträchtigte das Vorhandensein einer solchen Menge Thoriumoxyd in keiner Weise die günstigen Schweisseigenschaften gegenüber einer Reinwolframelektrode. Man kam nun zu der Annahme,
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dass bei einer Konzentration dieses Gehalts an Thoriumoxyd (0, 5'%o) in einem bestimmten, begrenzten Bereich des Querschnitts derart, dass die thorierte Fläche wenigstens einen Teil der Längsseitenfläche der ganzen Elektrode bildet, der Gehalt dieser begrenzten Fläche an Thoriumoxyd auf dz erhöht werden könnte.
Es ist bekannt, dass mit 1-2'% thorierte Wolframelektroden, in denen das Thoriumoxyd homogen über den Querschnitt verteilt ist, gute Zündeigenschaften haben, weil das an der Oberfläche der Elektrode vorhandene Thoriumoxyd eine zum Zünden des Lichtbogens genügende Emission bewirkt. Diese vorteilhaften Zündeigenschaften werden beim Zünden sowohl mit einem Zündlichtbogen als auch mit Hochfrequenz erhalten.
Da wenigstens ein Teil der Oberfläche der zusammengesetzten Elektrode an der Oberfläche im wesentlichen den gleichen Gehalt hat wie die übliche thorierte Wolframelektrode, besitzt die zusammengesetzte Elektrode in einem begrenzten Bereich im wesentlichen dasselbe hohe Emissionsvermögen, das zum Zünden des Lichtbogens erforderlich ist.
Die Erfindung schafft nun eine schwer schmelzbare Elektrode zum Lichtbogenschweissen mit einem inerten Schutzgas, wobei ein Zündlichtbogen zwischen einer Hilfselektrode und der schwer schmelzbaren Elektrode gebildet wird und diese als zusammengesetzte Stabelektrode ausgebildet ist, deren grösserer Teil aus einem im wesentlichen reinen, schwer schmelzbaren Metall besteht, während ein kleinerer Teil der Elektrode aus einem Gemisch eines schwer schmelzbaren Metalls miteinememissionsfähigenMaterial besteht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das emissionsfähige Material in Form eines segmentförmigen Teils der Elektrode vorgesehen ist, der eine Aussenfläche hat, die sich in der Längsrichtung wenigstens über einen Teil der Länge der Elektrode erstreckt.
Elektroden mit einem derart zusammengesetzten Aufbau zeigten nicht nur die gewünschten Zündeigenschaften, welche der Zweck der Untersuchungen waren, sondern auch verbesserte Schweissergebnisse.
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wolframelektroden nicht zahlreiche Kügelchen bilden, sondern nur eine einzige Kugel. Diese Kugel, die sich an der zusammengesetzten Elektrode bildet, wächst mit zunehmender Stromstärke, während sich die Kugel bei einer Reinwolframelektrode nur über einer bestimmten Stromstärke bildet. Infolgedessen bleibt die Stromdichte an dem kugeligen Ende der zusammengesetzten Elektrode innerhalb der Belastbarkeit der Elektrode konstant. Diese konstante Stromdichte ist die höchste Stromdichte, mit der das kugelige Ende ohne Vergrösserung belastet werden kann.
Da somit bei jeder gegebenen Stromstärke die Lichtbogenfläche an der Kugel die höchste Stromdichte aufweist, ist die Stabilität des Lichtbogens in keiner Weise beeinträchtigt.
Erfindungsgemäss ist es also möglich, eine Wolframelektrode mit den vorteilhaften Zündeigenschaften des thorierten Wolframs und die schweiss- oder kugelbildenden Eigenschaften des reinen Wolframs herzustellen. Bei den üblichen Elektroden, die vorherrschend aus schwer schmelzbarem Material und emissionsfähigem Material bestehen, ist, wenn das Schweissen von Aluminium mit Wechselstromkraft und Impulszündung erfolgt, die Lichtbogenzündung befriedigend ; jedoch ist wegen der Unfähigkeit solch einer Elektrode, eine einzige stabile Kugel am Ende ihres Lichtbogens zu bilden, die Schweisswirkung unbe- rechenbar.
Besonders bedingt bei den gebräuchlichen Elektroden eine Vielfalt kleiner, beweglicher Kugeln am Lichtbogenende einen nichtstabilen Schweisszustand und auch eine Verunreinigung der Schweissstelle durch Einschlüsse, die durch Übertragung der Kugeln ins Innere entstehen. Um diesen unvorteilhaften Zustand auszuschalten, wird erfindungsgemäss ein emissionsfähiges Material von einer Konzentration verwendet, die für eine zuverlässige Lichtbogenzündung genügt, und eine solche Verteilung über einen sich in der Längsrichtung erstreckenden Segmentteil der Elektrode aufweist, um die vorteilhaften kugelbildenden Eigenschaften beizubehalten, die für eine wirksame Lichtbogenstabilität nötig sind.
Es möge auch darauf hingewiesen werden, dass Elektroden, die mit emissionsfähigem Material nur in Form von Hüllen versehen sind, nicht die Vorteile der gegenständlichen Erfindung aufweisen. Besonders wenn sie längere Zeit verwendet werden, beginnt die äussere emissionsfähige Hülle zu springen und sich von dem feuerfesten Metallkern abzuschälen. Dieser Zustand ist die Folge des Wegfalles. der Bindung zwischen der emissionsfähigen Hülle und dem schwer schmelzbaren Kern. Als Folge davon ist die Möglichkeit der Verunreinigung der Schweissstelle durch Flocken grösser und die zuverlässige Lichtbogenzündung ist nicht sichergestellt. Die erfindungsgemässen Elektroden werden in keiner Weise von solch nachteiligen Eigenschaften beeinträchtigt und haben eine längere Lebensdauer im Vergleich mit den bekannten umhüllen Elektroden.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Schaltschema einer Schweissanordnung zur Erläuterung der Erfindung, Fig. 2 in grösserem Massstab einen Querschnitt durch den Brenner nach der Linie 2-2 der Fig. 1, Fig. 3 in
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vergrössertem Massstab einer Teil einer zusammengesetzten Elektrode in Ansicht und Fig. 4 einen Quer- schnitt durch die zusammengesetzte Elektrode nach der Linie 4-4 der Fig. 3. Gemäss Fig. l ist eine Haupt- elektrode 10 mit einem Pol einer Schweissstromquelle 12 elektrisch verbunden, deren anderer Pol mit dem
Werkstück 14 elektrisch verbunden ist, so dass die Stromquelle 12 während des Schweissvorganges einen zwischen dem Ende der Elektrode 10 und dem Werkstück 14 gebildeten Schweisslichtbogen speist.
Eine Schweissstromquelle 16 ist elektrisch an die Elektrode 10 und eine geneigte Hilfselektrode 18 angeschlossen und speist einen Zilndlichtbogen zwischen dem Ende der Hilfselektrode 18 und der Hauptelektrode 10. Zwischen derHilfselektrodel8und demWerkstückl4ist einRC-Glied bestehend aus einem Kondensator 20 und einem
Widerstand 22 eingeschaltet. Die Elektroden 10 und 18 sind in einem Becher oder einer Düse 24 des
Schweissbrenners angeordnet, durch den ein geeignetes Schutzgas, wie Argon strömt, das zu dem Werk- stück 14 hin austritt, um den Lichtbogenschweissvorgang vor einer Verunreinigung durch die Umgebungs- luft zu schützen.
Gemäss Fig. 2 besteht die Haupt- oder Schweisselektrode 10 aus einem zusammengesetzten, langge- streckten Stab aus Reinwolfram und thoriertem Wolfram. Die Elektrode besitzt einen Hauptteil 28 aus
Reinwolfram und ein seitliches Segment 26 aus thoriertem Wolfram. Dieses Segment erstreckt sich über die ganze Länge der Elektrode.
Gemäss Fig. 3 und 4 bildet das Thoriumoxyd oder sonstige emissionsfähige Material keinen leicht ent- fernbaren Oberflächenüberzug, sondern ein seitliches Segment 38 aus Wolfram mit einem hohen Gehalt an Thoriumoxyd. Dieses Segment erstreckt sich längs der Elektrode und bis zu einer gewissen Tiefe in den
Grundkörper 40 aus Wolfram hinein. Diese Ausbildung ist darauf zurückzuführen, dass kein Fall bekannt ist, in dem eine thorierte Schweisselektrode während ihrer normalen Lebensdauer unter der Wirkung des Lichtbogens so viel von ihrem Gehalt an Thoriumoxyd verlor, dass sie zu einer wirksamen Emission nicht mehr imstande war. Jeder Verlust von Thoriumoxyd an der Oberfläche wird daher durch eine Diffusion von Thoriumoxyd zur Oberfläche der Elektrode langsam wieder ausgeglichen.
Metallographische Untersuchungen haben gezeigt, dass Thoriumoxyd im Innern der Elektrode zu Thoriummetall reduziert wird, das eine wesentlich höhere Beweglichkeit für die Diffusion zur Oberfläche der Elektrode hat. An der Oberfläche wird das Thorium dann durch den Umgebungssauerstoff zu Thorium- oxyd rückoxydiert, das bekanntlich eine geringere Austrittsarbeit hat als Thorium. Diese Erscheinung erklärt, warum thorierte Elektroden (die normalerweise ausgezeichnete Zündeigenschaften haben) nach Abkühlung auf die Umgebungstemperatur in einer im wesentlichen inerten Atmosphäre zündunfähig sein können. Eine Reaktivierung der Elektrode bei der Umgebungstemperatur kann jedoch dadurch erzielt werden, dass man die Schutzgasatmosphäre eine Zeitlang (z. B. von wenigen Sekunden) entfernt.
Die Diffusion und die Umwandlung des Thoriumoxyds in Thorium und wieder in Thoriumoxyd ist in einer normalen thorierten Wolframelektrode anscheinend ein sich selbst regelnder Vorgang. Wenn jedoch ein Überschuss an Thoriumoxyd als Überzug vorhanden ist, kann dieser infolge einer Oberflächenerscheinung rasch verbraucht werden. Dieser Verlust von an der Oberfläche vorhandenen emissionsfähigen Materialien ist wahrscheinlich auf die Kathodenzerstäubung zurückzuführen.
Bei der Herstellung der in Fig. 4 gezeigten zusammengesetzten Elektrode wurde von einem zusammengesetzten Elektrodenstrang ausgegangen, der dann im Gesenk streckgeschmiedet und gezogen wurde.
Die Vorteile der Erfindung werden vor allem beim Lichtbogenschweissen mit Wechselstrom erhalten, wo das in der erfindungsgemässen Elektrode vorgesehene Segment dazu führt, dass die erwünschten Eigenschaften einer Reinwolframelektrode zusammen mit einer verbesserten zuverlässigen Zündung und einer erhöhten Strombelastbarkeit erhalten werden.
In dem Segment kann das emissionsfähige Material in einer Menge von bis zu 2 Gew.-'% vorhanden sein. Dieses Material kann vorzugsweise aus Barium, Thorium, Zirkon, Caesium, Lithium, Lanthan, Strontium, Kalium oder Yttrium bestehen. Der Grundkörper der Elektrode kann ebenfalls aus einem andern geeigneten schwer schmelzbaren Metall, wie Molybdän, oder aus Gemischen derartiger Metalle bestehen.
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