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Verfahren zum Gleichstrom-Lichtbogenschweissen oder-schneiden und Drahtelektrode zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf das Lichtbogenschweissen mit sich verzehrender Elektrode in oxydierender Atmosphäre, u. zw. insbesondere von eisenhaltigen Werkstoffen in einer Schutzgasatmosphäre von Kohlendioxyd.
Das oxydierende Gas Kohlendioxyd wurde bereits zum Abschirmen des Lichtbogens bei der elektrischen Schmelzschweissung vorgeschlagen und wird auch zu diesem Zweck verwendet (vgl. unter anderem die USA-Patentschrift Nr. 2, 544, 711). Beim Schweissen von Stahl ist Kohlendioxyd verhältnismässig reaktionsträge und hat sich als Medium zum Fernhalten von Luft in der Umgebung des Lichtbogens gut bewährt. Die Verwendung von C02 als Schutzgas hat jedoch den schwerwiegenden Nachteil, dass das Metall von der Elektrode ohne Bevorzugung einer bestimmten Richtung tropfenförmig auf das Werkstück übergeht, was ein sehr unruhiges Brennen des Lichtbogens und ein Zerreissen der Gashülle zur Folge hat.
Das dabei in beträchtlicher Menge verspritzende MateriÅal haftet an dem Werkstück und sammelt sich in der Schutzgasdüse an. Immerhin konnteri diese Fehler zum Teil wenigstens so weit abgestellt werden, dass das Verfahren praktisch durchführbar wurde ; man verwendet zu diesem Zweck unter anderem einen extrem kurzen Lichtbogen, den man praktisch vollkommen unter die Oberfläche des Werkstückes senkt. Bei der Maschinenschweissung, bei der man einen solchen "versenkten" Lichtbogen genau einhalten kann, hat sich diese Massnahme als technisch mögliche Lösung des Problems erwiesen. Sie stellt aber nicht die beste Lösung dar und ist ausserdem bei der Schweissung von Hand unbefriedigend, da der Schweisser dabei die kritische kurze Bogenlänge nicht einhalten kann.
Ferner entsteht bei Verwendung eines derartigen kurzen Bogens notwendigerweise eine hohe und schmale Schweissraupe, und die gewünschte Festigkeit der Schwei- sse wird nicht erreicht.
Die Entwicklung eines mit Kohlendioxyd als Schutzgas arbeitenden Lichtbogen-Schweissverfahrens, bei dem der Metallübergang von der Elektrode auf das Werkstück durch axiales Sprühen erfolgt, ist deshalb noch immer eine dringende Aufgabe. Dieses "Sprühen besteht aus einer Folge von einzelnen Metalltröpfchen, die axial von der Elektrode auf das Werkstück geschleudert werden. Ausser den schweisstechnischen Vorteilen eines derartigen Werkstoffüberganges hat das Absprühen den bedeutenden Vorzug, dass das geschmolzene Metall von der Elektrodenspitze über den Lichtbogen zum Werkstück gelangen kann, ohne Bogeninstabilität oder Kurzschluss hervorzurufen und ohne den Schutzgasmantel zu stören.
Dadurch wird ein ruhiger, gleichmässiger, stabiler und nichtspritzender Bogen erzielt, in dem das geschmolzene und verdampfte Schweissmetall jederzeit durch einen kontinuierlichen und ungestörten Schutzgasstrom von der umgebenden Luft abgeschirmt ist. Wenn man also erreicht, dass der Werkstoffübergang im Bogen mit Kohlendioxyd als Schutzgas in Form des geschilderten Absprühens erfolgt, erübrigt es sich, mit einem kurzen oder "versenkten" Bogen zu arbeiten.
Ein zum Schutze des Bogens mit inertem Gas wie z. B. Argon arbeitendes Lichtbogenschweissverfahren, bei dem der Werkstoffübergang durch Absprühen von der Elektrode erfolgt und das mit Gegenpolung und hoher Stromdichte arbeitet, ist heute allgemein bekannt und findet weitverbreitete technische Anwendung. Dieses in der USA-Patentschrift Nr. 2, 504, 868 beschriebene Schweissverfahren ist durch die
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hohe Qualität der Schweissungen ausgezeichnet, die mit ihm in jedem Metall und in jeder Lage erzeugt werden können. Der Erfolg dieses Verfahrens lässt sich zum Teil auf die neue Kombination von Elementen zurückführen, die durch ihr Zusammenwirken das Metall durch "Sprühen" von der Elektrode zum Werkstück übergehen lassen.
Man hat auch hochwertige Sprühschweissungen bei allen Metallen und. in allen Lagen erzielt, indem man mit einem durch inertes Gas geschützten Wechselstrombogen in gerader Polung und sich verzehrender Elektrode arbeitete. Derartige Schweissverfahren, wie sie in den USA-Patentschriften Nr. 2, 694, 763 und Nr. 2, 694, 764 beschrieben sind, setzen zu der als Bogenkathode geschalteten Elektrode Verbindungen hinzu, die in der inerten Schutzgasatmosphäre in Stoffe disoziieren, welche mit dem Metall der Kathode und dem inerten Gas der Schutzhülle zusammenwirken und dadurch das Phänomen des Werkstoffüberganges durch "Sprühen" hervorbringen.
Es ist ferner der allgemeine Vorschlag gemacht worden, zu dem mit C02 geschützten Bogen Zusatzverbindungen zuzugeben. Die in dem mit C02 geschützten Bogen herrschenden elektrischen und chemischen Bedingungen unterscheiden sich jedoch vollständig von denen in mit Argon, also einem inerten Gas, geschützten Bogen. Dies ist vermutlich die Erklärung für die Tatsache, dass ein Mittel, welches in dem mit inertem Gas geschützten Bogen das Absprühen bewirkt, in einer oxydierenden Atmosphäre, wie z. B.
Kohlendioxyd, jedoch nicht im geringsten einen günstigen Einfluss auf den Metallübergang ausübt.
Dies dürfte durchaus richtig sein, wenn auch auf den ersten Blick Gleichartigkeit vorzuliegen scheint.
Die Umgebung der Bogenkathode ist nämlich in inertem Gas wesentlich anders als in dem oxydierend wirkenden Kohlendioxyd. Praktisch jede Metallverbindung disoziiert unter Bildung eines positiven Metallions, wenn sie den extrem hohen Temperaturen im Bereich des Lichtbogens ausgesezt wird. In einer inerten Atmosphäre dürfte die Konzentration freier Metallionen hoch sein, weil in einer solchen nichtreaktiven Atmosphäre das Gleichgewicht bei hohen Temperaturen hohe Konzentrationen nicht gebundener Atome und Ionen begünstigt. Wenn die geeigneten Metalle anwesend sind, wird dadurch die Bildung der in den obengenannten Patentschriften beschriebenen stark emittierenden Kathodenoberfläche möglich.
Wenn das Zusatzmetall richtig aus den Gruppen der Alkalien, Erdalkalien oder seltenen Erden ausgewählt wird, setzt der elementare Film des Zusatzmetalles auf dem Grundmetall den Einfluss der dem Grundmeta'l innewohnenden Eigenschaften herab und steigert die Emissionsstärke von der Oberfläche an der geeigneten Stelle auf der Kathode.
Wenn jedoch der Bogen durch eine oxydierende Atmosphäre wie z. B. CO2 geschützt wird, verschiebt sich das Gleichgewicht in viel stärkerem Masse in Richtung auf die Oxydbildung, und es ist dementsprechend anzunehmen, dass auf dem Kathodenmetall viel mehr Metalloxyde und weniger freie Metallatome oder Ionen vorhanden sind. Eine solche Sachlage scheint wieder einer der Gründe zu sein. weshalb Sprüh- mittel, die in inerten Atmosphären hochwirksam und vollkommen befriedigend sind, in Kohlendioxyd oder in andern oxydierenden Atmosphären vollständig unwirksam bleiben und kein Absprühen hervorrufen.
Was auch immer der Fall sein mag, es war bisher nicht möglich, mit axdal absprühenden Elektroden bei Schutz des Bogens durch ein oxydierendes Gas wie z. B. Kohlendioxyd spritzerfreie Schweissgut-Abla- gerungen zu erzielen.
Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Schweissen in einer oxydierenden Atmosphäre, wie z. B. Kohlendioxyd, zu entwickeln, bei dem der Metallübergang von der Elektrode zum Werkstück durch Sprühen, also in äusserst feintropfiger Form, erfolgt.
Ein anderes Ziel ist die Entwicklung eines Kohlendioxyd als Schutzgas verwendenden Lichtbogenschweissverfahrens, das mit normalen Bogenlängen (nichtversenkten Bogen) arbeitet und bei dem praktisch kein Verspritzen auftritt.
Ein anderes Ziel ist die Entwicklung eines Schweissverfahrens in einer Kohlendioxydatmosphäre, bei dem der Bogen stabil brennt und der Metallübergang ruhig erfolgt, so dass ein Zerreissen der Kohlendioxydhülle und das Eindringen von Luft in das Schutzgas vermieden wird. Im besonderen ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, das bei Verwendung von Eisenelektroden, die relativ grosse Mengen von desoxydierenden oder reduzierenden Elementen wie z. B. Silizium, Aluminium und Titan enthalten, zu diesem Ergebnis führt und die Erzeugung fehlerfreier Schweissgutablagerungen ermöglicht.
Ein sehr wichtiges Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer neuen, besonders behandelten, sich verzehrenden Elektrode aus Eisenmetall, die die geeignete metallurgische Zusammensetzung besitzt, um fehlerfreie Schweissungen in unberuhigten und halbberuhigten Stählen zu erzeugen, und die bei Verwendung von Stromdichten der in derUSA-Patentschrift Nr. 2, 504, 868 angegebenen Grössenordnung zu einem sprühförmigen Metallübergang von der Elektrode zum Werkstück führt, wenn der Bogen mit dem oxydie-
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renden Gas Kohlendioxyd geschützt wird.
Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Nach der Erfindung ist ein Verfahren zum Gleichstrom-Lichtbogenschweissen oder-schneiden von Eisen- oder Stahlwerkstücken mit abschmelzender Drahtelektrode unter Kohlendioxyd als Schutzgas dadurch gekennzeichnet, dass man die Elektrode als Bogenkathode schaltet und der Elektrode Cäsium und ein anderes Alkalimetall zuführt oder zumischt.
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zweites Alkalimetall kommt insbesondere Natrium oder Kalium in Frage. Zweckmässig wird ein Gewichtsanteil für das zweite Alkalimetall verwendet, der 20-500 lu, vorzugsweise 100 go, des Cäsiumanteils, multipliziert mit dem Atomgewichtsverhältnis zwischen dem zweiten Alkalimetall und dem Cäsium, beträgt.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens lässt sich mit Vorteil eine Drahtelektrode verwenden, die mit einem Überzug versehen ist, der Cäsium und ein zweites Alkalimetall enthält, u. zw. vorzugsweise Cäsium in einer Menge von wenigstens 0, 01 % des Drahtgewichtes und das zweite Alkali-
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Zum Schweissen von Werkstücken aus unberuhigtem oder halbberuhigtem Stahl nach dem Verfahren der Erfindung sollte ein Elektrodendraht benutzt werden, der in an sich bekannter Weise wenigstens 0,25 Gew.-% Desoxydationsmittel, insbesondere Silicium, Aluminium und/oder Titan, und vorzugsweise ausserdem wenigstens 0, 25 Gew.-% Mangan enthält.
Das Verfahren nach der Erfindung gestattet es, einen spritzerfreien Werkstoffübergang durch axiales Sprühen von der Elektrode zu erzielen. Die entstehende Schweissung ist frei von Nitrid- und Oxyd-Einschlüssen. Bei richtigem Verlauf der Desoxydation, der in erster Linie durch die chemische Zusammensetzung des Elektrodendrahtes gesteuert wird, können in praktisch allen Arten von eisenhaltigen Werkstoffen, einschliesslich unberuhigten, halbberuhigten und beruhigten Stählen, niedrig legierten Stählen, rostfreien und hitzebeständigen Stählen usw. tadellose, von porösen Stellen und Einschlüssen praktisch freie Schweissungen erzeugt werden.
In abschmelzenden, eisenhaltigen Elektrodendrähten verwendet man neben Mangan gewöhnlich mindestens eines der desoxydierendenElemente (z. B. Silizium, Aluminium und Titan). In Eisendrähten, die zum Schweissen von unberuhigten oder halbberuhigten Stählen dienen, sind diese Elemente gewöhnlich in relativ grossen Mengen (über 0, 25 je) vorhanden. Es hat sich gezeigt, dass diese Stoffe beim Lichtbogenschweissen unter CO als Schutzgas dem das Absprühen hervorrufenden Cäsium entgegenwirken, während sie beim Lichtbogenschweissen mit inertem Schutzgas keinen derartigen Einfluss zeigen.
Da Kohlendioxydgas, verglichen mit inerten Gasen wie z. B. Argon, einen relativ starken PlasmaSpannungsabfall aufweist, neigt es dazu, die Einstellung und ständige Aufrechterhaltung der elektrischen und chemischen Bedingungen zu verhindern, die zu einem sprühförmigen Metallübergang führen. Diese Schwierigkeiten wurden jedoch ebenso wie die durch den oxydierenden Charakter von Kohlendioxyd hervorgerufene Schwierigkeit von der Erfindung durch Anwendung einer ungewöhnlichen Kombination von Kohlendioxyd als Schutzgas, Schweissstrom mit gerader Polung und hoher Stromdichte sowie einer besonders behandelten Elektroden-Zusammensetzung überwunden.
Eine derartige neue Kombination von Verfahrensschritten und Bedingungen hat sich gemäss der Erfindung als geeignet erwiesen, hochwertige, technisch brauchbare fehlerfreie Schweissungen in eisenhaltigen Werkstücken einschliesslich solchen aus unberuhigten und halbberuhigten Stählen mit Hilfe eines Bogens zu erzeugen, bei dem der Metallübergang durch Sprühen erfolgt, was bisher nur bei Schweissverfahren bekannt war, die mit inertem Schutzgas arbeiten.
Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand-der Zeichnung zur Veranschaulichung im einzelnen beschrieben.
Fig. 1 ist die schematische Darstellung eines für die praktische Durchführung der Erfindung geeigneten Apparates ; die Fig. 2 und 3 veranschaulichen schematisch eine Vorrichtung zur Vorbereitung des Elektrodendrahtes für die Auftragung eines das Sprühen hervorrufenden Mittels auf den Draht ; Fig. 4 veranschaulicht schematisch eine geeignete Vorrichtung für die Auftragung des das Sprühen hervorrufenden Mittels auf den Schweissdraht ; Fig. 5 stellt die"Umwandlungs"-Stromstärke, d. h. die Stromstärke, bei der das Abtropfen des Elektrodenmetalles in das Absprühen übergeht, als Funktion des Cäsium-Kalium-Verhältnis- ses in dem Sprühmittelgemisch graphisch dar ;
Fig. 6 ist ein typisches Zustandsdiagramm für ein binäres
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System von Oxyden, wie sie vermutlich auf der Elektrode nach der Erfindung vorhanden sind.
Fig. 7 stellt die"Umwandlungs"-Stromsiärke als Funktion der Menge des auf den Draht aufgetragenen Sprühmittels dar. Die Fig. 8, 9 und 10 veranschaulichen drei von den verschiedenen Formen von Schweiss-Lichtbogen, die beim Schweissen mit sich verzehrenden Elektroden in Argon als Schutzgas auftreten. Fig. 11 zeigt die Form des Schweiss-Lichtbogens, die bei den bisher bekannten, mit sich verbrauchenden Elektroden unter Kohlendioxyd als Schutzgas arbeitendem Schweissverfahren zu beobachten ist. Fig. 12 zeigt die Form eines Schweiss-Lichtbogens, der beim Schweissen mit sich verzehrenden Elektroden in Kohlendioxyd als Schutzgas gemäss der Erfindung entsteht.
In Fig. 1 ist das zu schweissende Werkstück durch das Bezugszeichen 21 gekennzeichnet. Eine Schweisselektrode 22 wird vorzugsweise in Form eines langen Drahtes zugeführt, der von einer in einem Rahmen 24 angeordneten Haspel 23 abgewickelt wird. Eine motorbetriebene Drahtvorschubeinrich- tung 25 zieht den Draht von der Haspel und schiebt ihn kontinuierlich mit einer entsprechend dem Elektrodenbrand gewählten Geschwindigkeit durch ein biegsames Rohr 26 zu einem Schweisskopf 27.
Die Drahthaspel, der Träger sowie die Vorschubeinrichtung können in der Art ausgebildet sein, wie es in der USA-Patentschrift Nr. 2, 681, 401 beschrieben ist. Das biegsame Rohr und der Schweisskopf können dem in der USA-Patentschrift Nr. 2, 659, 796 beschriebenen Typ entsprechen.
Der Schweissstrom wird von einer Schweiss-Gleichstromquelle 31 über die Leitung 32 und eir Kontaktelement innerhalb des Schweisskopfes 27 der Elektrode 22 zugeführt. Ein kraftbetätigte) Schalter 33 ist in die Leitung 32 gelegt, um den Schweissstrom. wenn nötig, unterbrechen zu können, Der Schweissstromkreis wird durch eine Leitung 34 vervollständigt, die den andern Anschluss de] Schweissstromquelle 31 mit dem Werkstück 21 verbindet. Das Schutzgas, Kohlendioxyd, wird vor irgendeiner geeigneten Quelle, beispielsweise einer Gasflasche 36, über einen Druckregler 37 une eine Leitung 38 in einen geeigneten Einlass in dem biegsamen Rohr 26 eingeleitet und gelangt durst dieses zu dem Schweisskopf.
Das Schutzgas tritt vorzugsweise als nichtturbulent fliessender Strom aus den Schweisskopf 27 aus und umhüllt das Bogenende der Elektrode, den Bogen und das von dem Bogen erzeugte Schmelzbad auf dem Werkstück. Schweissanlagen für die praktische Durchführung der Erfindung. beispielsweise die in Fig. 1 veranschaulichte Anlage, sind als übliche Lichtbogen-Schutzgas-Schweissan- lagen allgemein bekannt.
Das bevorzugte Verfahren, das Sprühmittel gemäss der Erfindung dem Bogen zuzuführen, besteht darin, es oberflächlich auf eine im übrigen nackte Drahtelektrode aufzubringen. Diese Auftragung kann dadurch bewerkstelligt werden, dass man zunächst die Drahtoberfläche in geeigneter Weise für die AufnahmE des Mittels vorbereitet und den so vorbehandelten Draht dann durch eine Lösung oder einen Schlamm de ! Sprühmittels zieht.
Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen schematisch eine geeignete Einrichtung zum elektrolytischen Säu- bern des Elektrodendrahtes, um dessen Oberfläche zur Auftragung des Sprühmittels vorzubereiten. Be dieser Reinigung wird der Elektrodendraht 41 von einer Drahthaspel 42 in ein Säurebad 43 gezogen. Der Draht wird mittels Führungsrollen 46 zwischen Elektroden 44, 45 durch das Bad bewegt Ein geeignetes Säurebad kann aus 1, 8 kg Chromtrioxyd und 1, 36 kg Schwefelsäure bestehen, die in 26, 5 Wasser gelöst sind. Gleichstrom mit einer Stärke von ungefähr 100 A wird zwischen den Elektroden 4 < und 45 durch das Bad geleitet.
Im Anschluss daran passiert der Draht ein Spülbad 47 mit klarem Wasser und wird dann in einen Trockner 48 vollständig getrocknet, bevor er auf einer Haspel 49 wieder aufgespult wird. Der Drah kann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 635 cm pro min durch das elektrolytische Säurereinigungs system hindurchgeführt werden. Nach dieser Reinigung ist die Drahtoberfläche im wesentlichen von alle ; Fremdstoffen und Verunreinigungen frei, die bei der Auftragung des Sprühmittels auf die Drahtoberfläche stören könnten.
Im Anschluss an die im vorstehenden beschriebene Vorbereitung des Drahtes oder an einen ander : gleichwertigen Prozess, der zu einer Oberfläche führt, die sich gleichmässig von einer Lösung des Sprüh mittels benetzen lässt, wird der Draht durch eine Lösung gezogen, so dass eine Meine Menge des Sprüh mittels auf die Oberfläche des Drahtes aufgetragen wird. Eine geeignete Form einer Anlage zum Auftra' gen von Sprühmittel auf den Draht ist in Fig. 4 veranschaulicht.
In dieser Figur wird der Draht 51 von einer Vorratshaspel 52 abgespult und über eine Führung walze 53 geleitet, die zu einem Teil in ein Bad 54 des Sprühmittel eintaucht. Die genaue Zu sammensetzung des Sprühmittelbades wird im nachstehenden eingehender beschrieben. Sobald der Drah 51 aus dem Bad austritt, gelangt er durch einen Trockner 55 und wird dann auf einer Haspel 51 aufgespult. Diese Haspel 56 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie als Drahtablaufhaspel in der Draht zufuhreinrichtung von Fig. l verwendet werden kann.
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Viele der geeigneten Sprühmittel sind wasserlöslich, und in dem einfachsten Fall ist das Bad 54 eine wässerige Lösung. Selbstverständlich können auch andere Lösungsmittel verwendet werden) falls dies angezeigt erscheint. Es hat sich gezeigt, dass die Gleichmässigkeit der Verteilung des Sprühmittels auf dem Draht verbessert wird, wenn dem Bad ein Netzmittel zugefügt wird. Geeignet sind eine ganze Zahl im Handel erhältlicher Netzmittel.
Mit einerwässerigen Lösung der Grössenordnung 50-150 g der Verbindungen pro Liter Wasser lässt sich eine befriedigende Verteilung des Sprühmittels auf der Drahtoberfläche erzielen, wenn man den Draht in der oben beschriebenen Anlage mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 635 cm pro Minute durch die Lö- sung zieht. Selbstverständlich können auch andere gleichwertige Mittel verwendet werden, um das Sprühmittel auf den Elektrodendraht aufzubringen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die wichtigste Massnahme bei der Präparierung des Drahtes ist die Auswahl des Sprühmittels, das auf den Draht aufgebracht werden soll. Gemäss der Erfindung hat eine synergistische Mischung einer Cäsium- verbindung und einer Verbindung eines andern Alkalimetalles, nachdem sie in der oben beschriebenen
Weise auf den Elektrodendraht aufgebracht wurde, die Wirkung, bei gerader Polung in einer Kohlendi- oxydatmosphäre einen Werkstoffübergang durch Absprühen zu erzeugen, der sich in seinem Charakter mit dem Werkstoffübergang bei Gegenpolung in einer Argonatmosphäre vergleichen lässt. Alkalimetalle sind
Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium. Die bevorzugten Verbindungen sind die sauerstoffhaltigen Verbindungen wie z. B. Hydroxyde, Carbonate und Nitrate.
Derartige bevorzugte Ver- bindungen ergeben erfahrungsgemäss die erfindungsgemässen Vorteile schneller und in grösserem Umfange als andere Verbindungen.
Beispiele von Sprühmitteln, die sich unter den Schweissbedingungen wenig oberhalb der Umwand- lungsstromstärke (bei der das Abtropfen in Absprühen übergeht) gut bewährt haben, sind in Tabelle I wie- dergegeben. Die nominale Zusammensetzung jedes in Tabelle I angegebenen Elektrodendrahtes ist wie folgt :
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<tb>
<tb> Draht <SEP> A <SEP> Draht <SEP> B <SEP> Draht <SEP> C
<tb> C <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> % <SEP> C <SEP> 0, <SEP> 093% <SEP> C <SEP> 0, <SEP> 06 <SEP> % <SEP>
<tb> Mn <SEP> 0, <SEP> 95 <SEP> % <SEP> Mn <SEP> 1, <SEP> 97 <SEP> % <SEP> Mn <SEP> 1,12 <SEP> %
<tb> Si <SEP> 0, <SEP> 45 <SEP> % <SEP> Si <SEP> 0, <SEP> 76 <SEP> % <SEP> Si <SEP> 0, <SEP> 36 <SEP> % <SEP>
<tb> P <SEP> 0, <SEP> 015 <SEP> % <SEP> P <SEP> 0, <SEP> 015 <SEP> % <SEP> P <SEP> 0.
<SEP> 025 <SEP> 0/0 <SEP>
<tb> S <SEP> 0, <SEP> 020 <SEP> % <SEP> S <SEP> 0, <SEP> 020% <SEP> S <SEP> 0, <SEP> 017% <SEP>
<tb> Cr <SEP> 0,14 <SEP> %
<tb> Mo <SEP> 0, <SEP> 41 <SEP> % <SEP>
<tb> Ni <SEP> 1,24 <SEP> %
<tb> V <SEP> 0, <SEP> 15 <SEP> % <SEP>
<tb>
In jedem der Beispiele von Tabelle I wurde der Draht vor der Auftragung des Sprühmittels genau in der oben beschriebenen Art und Weise elektrolytisch gesäubert. Das Sprühmittel wurde dann in der oben beschriebenen und erläuterten Weise aufgetragen. In Tabelle I ist die Anzahl Gramm jeder Verbindung angegeben, die in soviel Wasser aufgelöst wurden, dass ein Liter Lösung entstand. In jedem Beispiel von Tabelle I wurde ein guter axialer Sprühübergang in CO2-Atmosphäre erzielt, der mit dem in Argon unter Gegenpolung erzielten Werkstoffübergang vergleichbar war.
Bevorzugte Sprühmittel sind Mischungen von Cäsiumcarbonat und Soda, Cäsiumcarbonat und Pottasche, Cäsiumhydroxyd und Natriumhydroxyd, Cäsiumhydroxyd und Kaliumhydroxyd und Cäsiumnitrat und Natriumnitrat. Es wird im allgemeinen bevorzugt, sauerstoffhaltige Verbindungen von Cäsium in Gemisch mit einer ähnlichen Verbindung von Natrium oder Calium zu benutzen.
Francium dürfte nur geringes praktisches Interesse besitzen, da es radioaktiv und ausserordentlich selten und teuer ist.
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<tb>
<tb> Beispiel <SEP> Drahtzu- <SEP> Drahtdurch- <SEP> Sprühmittel <SEP> Strom- <SEP> Bogenspannung <SEP> Drahtvorsammen- <SEP> messer <SEP> (Gramm <SEP> Ver-dichte <SEP> in <SEP> Volt <SEP> (Bogen-schubge- <SEP>
<tb> setzung <SEP> bindung <SEP> pro <SEP> lange <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> mm) <SEP> schwinLiter <SEP> Lösung) <SEP> digkeit
<tb> (cm/min)
<tb> 1 <SEP> A <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> 40 <SEP> CsCOg <SEP> 310 <SEP> 33 <SEP> 368
<tb> + <SEP> 16 <SEP> K2COg <SEP>
<tb> 2 <SEP> A <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> 80 <SEP> Cs2CO3 <SEP> 285 <SEP> 29, <SEP> 5 <SEP> 317
<tb> + <SEP> 40 <SEP> Na2CO3
<tb> 3 <SEP> A <SEP> 1,
<SEP> 6 <SEP> 40 <SEP> CsCOg <SEP> 280 <SEP> 30 <SEP> 330
<tb> + <SEP> 20 <SEP> NaCOg
<tb> 4 <SEP> B <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> 80 <SEP> Cs2CO3 <SEP> 300 <SEP> 30 <SEP> 368
<tb> + <SEP> 26 <SEP> Na2COs
<tb> 5 <SEP> B <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> 80 <SEP> CsNOg <SEP> 310 <SEP> 31 <SEP> 381
<tb> + <SEP> 35 <SEP> NaNO
<tb> 6 <SEP> A <SEP> 1, <SEP> 1 <SEP> 40 <SEP> CsCO3 <SEP> 205 <SEP> 29 <SEP> 559
<tb> + <SEP> 40 <SEP> Rb2CO3
<tb> 7 <SEP> A <SEP> 1, <SEP> 1 <SEP> 40 <SEP> Cs <SEP> CO <SEP> 200 <SEP> 28, <SEP> 5 <SEP> 521
<tb> + <SEP> 40 <SEP> Na2CO3
<tb> 8 <SEP> A <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> 40 <SEP> Cs2COg <SEP> 330 <SEP> 33, <SEP> 5 <SEP> 406
<tb> + <SEP> 9 <SEP> Li2CO3
<tb> 9 <SEP> C <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> 40 <SEP> Cs2CO3 <SEP> 300 <SEP> 32 <SEP> 381
<tb> + <SEP> 40 <SEP> Rb2CO3
<tb> 10 <SEP> A <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> 40 <SEP> CsOH <SEP> 305 <SEP> 31 <SEP> 356
<tb> - <SEP> :
-11 <SEP> NaOH <SEP>
<tb> 11 <SEP> A <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> 40 <SEP> CsOH <SEP> 300 <SEP> 31, <SEP> 5 <SEP> 356
<tb> + <SEP> 15 <SEP> KOH
<tb> 12 <SEP> A <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> 40 <SEP> CsOH <SEP> 305 <SEP> 32 <SEP> 330
<tb> + <SEP> 14 <SEP> Na2CO3
<tb>
Anmerkung zu Tabelle I :
Alle Schweissungen wurden an einer 12 mm dicken Platte aus halbberuhigtem Stahl mit eine : Schweissgeschwindigkeit von 38 cm pro Minute unter Verwendung eines Elektroden-Endteiles von 16 mir durchgeführt. In allen Fällen wurde Gleichstrom in gerader Polung verwendet, und der Werkstoffübergani erfolgte durch axiales Absprühen. Das Schutzgas war Kohlendioxyd und wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,7 cm3 pro Stunde durch eine 19 mm weite Düse zugeführt.
Es wurde beobachtet, dass sich die Wirkung steigern lässt, wenn die Verbindungen in bestimmten Mengenverhältnissen gemischt wurden. Eine Untersuchung der beim eingehenden Testen der Erfindung erhaltenen Daten ergab, dass die Stromstärke, bei der die Umwandlung des Werkstoffüberganges von der Tropfen-in die Sprühform stattfindet, dann am geringsten ist, wenn die beiden Verbindungen in einem solchen Mengenverhältnis vorliegen, dass in der Lösung praktisch die gleiche Anzahl an Cäsiumatomen wis an Atomen des andern Alkalimetalles enthalten sind.
Beispielsweise stehen in einer Mischung von Cäsiumcarbonat und Natriumcarbonat oder in einer Mischung von Cäsiumhydroxyd und Natriumhydroxyd das Cäsium und das Natrium dann in gleichen Atomverhältnissen, so dass also ein Cäsiumatom auf jedes Natriumatom kommt, wenn die Gewichte der Verbindungen in der Mischung in dem gleichen Verhältnis stehen wie ihre Molekulargewichte. Wenn anderseits eine Mischung von beispielsweise Cäsiumhydroxyd und Natriumcarbonat, also CsOH und Na2CO3 verwendet wird, scheint das Minimum der Umwandlungsstromstärke vorzuliegen, wenn auf die Zahl de
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Na2CO3-Moleküle die doppelte Anzahl CsOH-Moleküle kommen. Diese Aussage stützt sich auf die in Tabelle II wiedergegebenen Versuchsergebnisse.
Diese Tabelle zeigt die Veränderung in der Stromstärke, bei welcher die Umwandlung des Werkstoffüberganges aus der Tropfen- in die Sprühform eintritt, wenn das Gewicht der ändern Alkaliverbindung bezüglich des Gewichtes der Cäsiumverbindung derart variiert wird, dass 1. halb soviel, 2. ebensoviel und 3. eineinhalbmal soviel Atome des andern Alkalimetalles auf die Cäsiumatome kommen.
Tabelle II
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<tb>
<tb> Zusammensetzung <SEP> Umwandlungsstrom- <SEP> Umwandlungsstrom- <SEP> Umwandlungsstrom- <SEP>
<tb> des <SEP> Sprühmittels <SEP> stärke <SEP> bei <SEP> einem <SEP> Mi- <SEP> stärke <SEP> bei <SEP> einem <SEP> Mi- <SEP> stärke <SEP> bei <SEP> einem <SEP> Mischungsverhältnis <SEP> von <SEP> schungsverhältnis <SEP> von <SEP> schungsverhältnis <SEP> von
<tb> 2 <SEP> Cs-Atomen <SEP> auf <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> Cs-Atom <SEP> auf <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> Cs-Atomen <SEP> auf <SEP> 3
<tb> anderes <SEP> Alkaliatom <SEP> anderes <SEP> Alkaliatom <SEP> andere <SEP> Alkaliatome
<tb> CsCO <SEP> 325 <SEP> 295 <SEP> 305
<tb> -"CO,
<tb> CsCq <SEP> 320 <SEP> 305 <SEP> 325
<tb> CO,
<tb> CsCO <SEP> 330 <SEP> 315 <SEP> 350
<tb> "-0,
<tb> CsOH <SEP> + <SEP> NaOH <SEP> 330 <SEP> 305 <SEP> 310
<tb> CsOH <SEP> + <SEP> KOH <SEP> 325 <SEP> 300.
<SEP> 345
<tb> CsCl <SEP> + <SEP> NaCl <SEP> 350 <SEP> 340 <SEP> 370
<tb> CsOH+NCOg <SEP> 330 <SEP> 305 <SEP> 315
<tb>
In Fig. 5 ist beispielsweise dargestellt, wie sich die Umwandlungsstromstärke ändert, wenn man die Atomverhältnisse zwischen dem Cäsium und dem andern Alkalimetall variiert. In der Figur ist die Umwandlungsstromstärke (Umwandlung des Metallüberganges von der Tropfenform in die Sprühform) gegen die Anzahl Gramm K2CO3 pro Liter Lösung aufgetragen ; der Cäsiumcarbonatgehalt der Lösung betrug konstant 40 g pro Liter. Die Werte, auf denen diese Kurve beruht, wurden experimentell bestimmt.
Aus der Kurve ist ersichtlich, dass die kleinste Umwandlungsstromstärke vorliegt, wenn der K2CO3Gehalt der Lösung zwischen 16 und 20 Gramm pro Liter liegt. Eine auf die Atomgewichte der Elemente basierte Berechnung ergibt, dass die gleiche Anzahl von Cäsium und Kaliumatomen vorhanden ist, wenn 40 g CASCO, und 17 g KCO verwendet werden.
Es lassen sich jedoch auch gute Ergebnisse erzielen, wenn das Verhältnis der Metallatome von dem optimalen Wert 1 : 1 abweicht ; vorzugsweise sollen diese Verhältnisse jedoch innerhalb der Grenzen von 5 : 1 bis 1 : 5 liegen, um hinsichtlich der Mengenverhältnisse der Verbindungen in der Mischung die Vorteile der Erfindung zu wahren. Dabei ist die Menge des vorhandenen Cäsiums oberhalb eines Mindestwertes von ungefähr 0, 01 % des Elektrodengewichtes zu halten.
Es hat sich nach der Erfindung herausgestellt, dass sich in einer Kohlendioxydatmosphäre ein Werkstoffübergang in Sprühform erreichen lässt, wenn ein Sprühmittel auf einer synergistischen Mischung einer Cäsiumverbindung und einer Verbindung andern Alkalimetalles als Hilfsmittel verwendet wird. Die überraschende synergistische Wirkung der Zusatzgemische gemäss der Erfindung wurde durch Versuche nachgewiesen.
Wie diese Versuche zeigten, sind andere Zusatzmittel als Alkaliverbindungen nicht befähigt, die Wirkung einer Cäsiumverbindung derart zu fördern, dass ein für Kohlendioxyd geeignetes Sprühmittel entsteht. Beispiele solcher Verbindungen, die ausser den Alkalimetallverbindungen untersucht wurden und sich für den vorliegenden Zweck als'ungeeignet erwiesen haben, sind MgCl2, Mg(NO3)2, Mn(NO3)2, Fe(NO3)2,
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Ni(NOCäsiumverbindung verwendet wurden.
Ähnliche negative Ergebnisse zeigten Versuche, bei denen nur Alkaliverbindungen ausser Cäsium und
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Substanz oder Substanzmischung nicht nur sehr gut emittiert, sondern auch einen hinreichend niedrigen Schmelzpunkt und einen hinreichend hohen Siede- oder Verdampfungspunkt besitzt, um ein gleichmä- ssiges und ausreichendes Gebiet einer Emissionsoberfläche an oder bei dem Anfang der Elektrodenschmelzzone auszubilden und zu erhalten. Gleichzeitig soll das Sprühmittel zumindest in seiner stark emittierenden Form nicht auf der Elektrode bleiben, wenn es deren äusserste Spitze erreicht, da der relative Gesamtspannungsabfall zwischen dem Werkstück und den besagten beiden Kathodenstellen in umgekehrtem Grö- ssenverhältnis stehen oder wenigstens angenähert gleich sein muss, damit das Plasma steigen kann.
Es wird angenommen, dass eine der besonderen Eigenschaften des Cäsiums, nämlich sein aussergewöhnlich niedriges lonisationspotential zu diesem Ergebnis beiträgt. Dampf von Cäsium aus der partiellen Dissoziation des Cäsiumoxydes auf der Kathode und/oder Dissoziation von verdampften Cäsiumverbindungen in dem Plasma scheint den Spannungsabfall in dem CO-Plasma zumindest in dem Plasmabereich an der besagten Kathodenemissionszone herabzusetzen, was das Aufsteigen des Plasmas zu Stellen grösseren Emissionsvermögens oder geringeren Kathodenspannungsabfalles erleichtert. Eine derartige Wirkung auf den Plasmaspannungsabfall ist besonders bei CO-Schutzgas von Wichtigkeit, weil der Spannungsabfall in diesem Gas mehrfach grösser ist als der Spannungsabfall in Argon.
Der Umstand, dass Alkaliverbindungen allgemein, Verbindungen der Erdalkalien und der seltenen Erden in einer Kohlendioxyd-Schutzgasatmosphäre keinen sprühförmigen Übergang bewirken, wie er mit cäsiumhaitigen Mitteln erfindungsgemäss erreicht werden kann, lässt sich wohl zumindest teilweise auf den relativ hohen Siedepunkt der Oxyde dieser Metalle zurückführen. Welche Metallverbindung auch immer zugesetzt wird, in gewissen Umfang wird selbstverständlich bei den hohen Temperaturen und den kinetischen Bedingungen des Bogens in Gegenwart des freien, aus der Dissoziation des CO-Schutzgases entstandenen Sauerstoffes das entsprechende Oxyd gebildet werden.
Die Oxyde von Erdalkalien und sel- tenen Erden haben relativ hohe Siedepunkte und Dissoziationstemperaturen und können auf dem geschmol- zenen Kathodenmetall bis zum äussersten Ende der Elektrode verbleiben und deshalb nur einen Gesamtanstieg der Kathodenemissionsstärke verursachen, nicht aber das Verhältnis zwischen der Emissionsstärke einer Kathodenfläche im Vergleich mit einer andern Kathodenfläche ändern. Ausserdem emittieren solche andernMetalloxyde gewöhnlich nicht so gut Elektronen wie Cäsium-Cäsiumoxyd, noch besitzen die ihnen zugrundeliegenden Metalle das extrem niedrige Ionisierungspotential von Cäsium.
In Fig. 6 ist veranschaulicht, welche Veränderung von Schmelz-und Siedepunkten bei Veränderungen in der relativen Konzentration von Mischungen oder Lösungen zu erwarten ist. Man sieht, dass bei Variierung der Konzentrationen, ausgehend von 100 % des einen Oxydes als Grenzwert durch den Gesamtmischungsbereich bis zu 100 % des andern Oxydes, die Schmelzpunkte in beiden Richtungen fallen, bis sie beim Eutektikum ein Minimum erreicht haben. Anderseits steigen die Siedepunkte in etwa der gleichen Art an, so dass der Unterschied zwischen Schmelz- und Siedepunkten in der Nähe der eutektischen Konzentrationen am grössten ist.
Wieviel Sprühmittel gemäss der Erfindung auf den Elektrodendraht aufgebracht wird, ist nicht besonders kritisch, vorausgesetzt, dass eine gewisse Mindestmenge zugesetzt wird. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass ein nach dem oben im einzelnen beschriebenen Verfahren behandelter Draht ungefähr 0, 03 % der Mischung der zur Behandlung verwendeten Verbindungen enthält oder trägt.
Fig. 7 veranschaulicht die Änderung der Umwandlungsstromstärke bei Erhöhung der auf den Draht aufgetragenen Sprühmittelmenge. Wie man sieht, tritt nur eine geringe Veränderung ein, wenn bereits eine gewisse Mindestmenge von Cäsium auf den Draht aufgetragen ist. Diese Mindestmenge kann im Einzelfall je nach dem verwendeten Draht verschieden sein, in praktisch allen Fällen dürfte sie jedoch mindestens ungefähr 0, 01 Gew.-'% betragen. Für die allgemeine Anwendung der Erfindung hat es sich als befriedigend erwiesen, das cäsiumhaltige Sprühmittel in einer solchen Menge aufzutragen, die ungefähr 0, 03 % des Drahtgewichtes entspricht.
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schwindigkeit. Derartige Unterschiede sind in ziemlich genauen Einzelheiten in den Fig. 8-12 veranschaulicht.
Ferner sind die visuellen Unterschiede zwischen dem mit C02 geschützten Schweissbogen gemäss dem Stande der Technik und dem mit CO geschützten Sprühbogen gemäss der Erfindung in den Fig. 11 bzw. 12 veranschaulicht.
Argongeschützte Metall-Lichtbögen mit gerader Polung emittieren fast ganz vom unteren Teil der geschmolzenen Tropfen oder von dem äussersten Ende der Elektrode. Das Emissionsgebiet verlagert sich von Ansatzpunkt zu Ansatzpunkt und von Zeit zu Zeit über die Kathode. Vermutlich setzt die kalte Ka-
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thodenemission, die in einem solchen Bogen vorliegt, einen starken Ionenbeschuss lokalisierter Kathoden- teile voraus, um hinreichend hohe örtliche Temperaturen zu erzielen und die notwendige Emission zur Unterhaltung des Bogens aufrechtzuerhalten. Das Ergebnis ist ein kugelförmiger spritzender Übergang.
Wenn ein emittierendes Mittel zu einer derartigen Elektrode in der inerten Gashülle zugesetzt wird, setzt die Emission bereits weiter hinten auf dem Draht ein und das Plasma steigt von der Elektrodenspitze an den Elektrodenseitenflächen bis hinter die geschmolzene Metallzone, oder die Emission findet gleichzeitig von beiden dieser Flächen statt. Auch bei einer solchen teilweise aktivierten Elektrode findet ein spritzender Übergang statt. Fig. 9 zeigt dieses Phänomen.
Mit einer richtig aktivierten Elektrode in Argon kann das Kathodenemissionsgebiet von der in Fig. 9 gezeigten Form auf praktisch die gleiche Konfiguration konzentriert werden, die sich, wie in Fig. 10 dargestellt, aus der Verwendung von gegengepolten Bögen hoher Stromdichte in Argon ergibt.
Der gegengepolte CO-Bogen hat anderseits die kugelförmige, in Fig. 11 dargestellte Konfiguration des spritzenden Überganges ; das gleiche ist bei dem C02 -Bogen mit gerader polung der Fall. Tatsächlich ist die unregelmässige Bogenkonfiguration von Fig. 11 typisch für alle mit CO als Schutzgas arbeitenden bisher bekannten Schweissverfahren.
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in Fig. 9 dargestellte Bedingung in den C02 geschützten Bögen niemals auftritt, Lediglich in dem Verfahren der Erfindung hat der Bogen die in Fig. 12 dargestellte Form ;
in allen ändern Fällen ist der mit ci 2 geschützte Bogen unregelmässig und der Mateiialübergang spritzen, ob nun mit Gegenpolung oder gerader Polung gearbeitet wird oder Drähte verwendet werden, die mit Mitteln wie z. B. Verbindungen von Erdalkalien oder seltenen Erden behandelt sind.
Zur Erzielung des Sprühüb. erganges scheint es wesentlich zu sein, das Emissionsgebiet der Elektrode kontrollieren zu können. Dies lässt sich in der CO-Atmosphäre gemäss der Erfindung durch eine besondere Behandlung der Elektrode erzielen. Diese Kontrolle kann nur dann durchgeführt werden, wenn man mit gerader Polung arbeitet, d. h. die Elektrode als negativen Pol verwendet.
Zwar wurden die experimentellen Ergebnisse hauptsächlich unter Verwendung von Drähten auf Eisenbasis erzielt, es ist jedoch zu vermuten, dass die Erfindung auch auf andere Drahtmaterialien anwendbar ist.
Da es ferner aus Versuchsergebnissen bekannt ist, dass Schweissbogen in CO im Prinzip von Bogen in einatomigen inerten Gasen verschieden sind und da ferner angenommen wird, dass das Arbeiten in einer Kohlendioxydatmosphäre die Entstehung von Metalloxyden begünstigt, wird angenommen dass die Erfindung auch auf andere oxydierende Atmosphären als Kohlendioxyd anwendbar ist,
Im vorstehenden wurde die Mischung einer Cäsiumverbindung und einer als Hilfsmittel dienenden Alkaliverbindung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass auch drei oder mehr Verbindungen gemischt werden können, solange die Mischung in der Lage ist, das nötige Cäsium und Hilfsmetall in einer Art der Kathode zuzuführen, die die Erzielung des Sprühüberganges unterstützt.
In jeder solchen Mischung sollten die Mengenverhältnisse derart sein, dass die Gesamtzahl der Alkaliatome ausser Cäsium gleich der Zahl der anwesenden Cäsiumatome sein soll. Es versteht sich ferner, dass die Erfindung zwar in erster Linie auf das Lichtbogenschweissen anwendbar ist und im Hinblick auf diese Verwendungsart beschrieben wurde, dass sie jedoch auch in verwandten Techniken wie z. B. dem Lichtbogenschneiden von Nutzen sein wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Gleichstrom-Lichtbogenschweissen oder -schneiden von Eisen- und Stahlwerkstük- ken mit abschmelzenderDrahtelektrode unter Kohlendioxyd als Schutzgas, dadurch g e k e n n z e i c h net, dass man die Elektrode als Bogenkathode schaltet und der Elektrode Cäsium und ein anderes Alkalimetall zuführt oder. zumischt.