Wolframelektrode zum Lichtbogenschweissen unter Schutzgas und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung betrifft eine Wolframelektrode zum Lichtbogenschweissen unter Schutzgas mit einem Zu satz von gegenüber dem Wolfram elektronegativeren Stoffen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Es sind nichtabschmelzende Elektroden für das elektrische Schutzgasschweissen bekannt, die aus Wolf ram als Grundwerkstoff und verhältnismässig kleinen Zusätzen von im Vergleich zu Wolfram elektropositi veren Stoffen bestehen. Diese Zusätze bewirken eine Verbesserung der Zündeigenschaften der Elektrode, eine Stabilisierung des Lichtbogens, der bei reinen Wolframelektroden dazu neigt, auf der Elektroden spitze zu wandern, und eine Herabsetzung der Tempe ratur der Elektrodenspitze bei gleicher Schweissstrom- stärke. Diese elektropositiveren Stoffe werden dem Grundwerkstoff Wolfram meist in Form von Oxyden in Konzentrationen bis ungefähr 3 % gleichmässig bei gemischt.
Als besonders günstiges Material hat sich Thorium oxyd erwiesen. Mit solchen thorierten Wolframelektro den konnten die Lichtbogenschweissverfahren mit nichtabschmelzender Elektrode und unter Schutzgas verbessert werden. In jüngster Zeit hat es sich jedoch herausgestellt, dass diese Vorteile mit einem erheb lichen Nachteil verknüpft sind, der auf der Gefährlich keit der natürlichen Radioaktivität des Thoriums be ruht.
Die Zusätze von Thorium, das mit einer Halb wertszeit von etwas über 101 Jahren zwar ein ver- hältnismässig schwacher, jedoch im Hinblick auf die scharfen Strahlenschutzbestimmungen nicht zu ver nachlässigender radioaktiver Strahler ist, bilden dem nach eine Gefahr für diejenigen, die mit solchen Elek troden regelmässig umgehen und - da auch kleine Mengen des Elektrodenwerkstoffes in die Schweisse gelangen - auch für solche Personen, die über längere Zeiträume mit geschweissten Gegenständen in Berüh rung kommen. Bei dem zuletzt genannten Personen kreis kommt hinzu, dass dieser im allgemeinen vom Vorhandensein der Radioaktivität keine Kenntnis hat und demzufolge auch keine Schutzmassnahmen treffen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine durch Zugabe von gegenüber dem Wolfram elektrone- gativeren Stoffen, die keine natürliche Radioaktivität besitzen, verbesserte Wolframelektrode zu entwickeln, die in schweisstechnischer Hinsicht mindestens ebenso vorteilhaft wie eine thorierte Wolframelektrode ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Elek trodenwerkstoff 0,1 bis 2,5 % Lanthanoxyd enthält. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Her stellung der Elektrode, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man das Lanthanoxyd in Pulverform mit Wolf rammetallpulver oder Wolframsäureanhydrid ver mischt, diese Pulvermischung anschliessend presst, dann sintert, wobei im Falle der Verwendung des An hydrids dieses zum Wolfram reduziert wird, und den Sinterkörper zu Elektroden verarbeitet.
Die erfindungsgemässen Schweisselektroden besit zen überraschenderweise hervorragende Schweisseigen- schaften, die teilweise noch diejenigen der thorierten Wolframelektroden übertreffen. Besonders hervorzuhe ben ist zunächst eine Verbesserung der Zündfähigkeit, die besonders beim Schweissen mit Wechselstrom, bei dem ein Wiederzünden des Lichtbogens bei Beginn jeder Halbperiode erforderlich ist, von grosser Bedeu tung ist. Hierbei kann der Wechselstromlichtbogen auch bei einer verhältnismässig niederen Spannung sicher aufrechterhalten werden. Ausserdem wird die Brennzeit des Lichtbogens in derjenigen Halbperiode, in der die Elektrode Kathode ist, nicht unwesentlich erhöht.
Im Vergleich zu reinen Wolframelektroden weisen die erfindungsgemässen Elektroden bei gleichen Ab messungen ebenso wie die bekannten thorierten Elek troden eine höhere Belastbarkeit auf. Wird dieser Vor teil im umgekehrten Sinne ausgenützt, so können, im Vergleich mit reinen Wolframelektroden, bei gleicher Stromstärke dünnere Elektroden verwendet und dem zufolge Schweissnähte geringerer Breite hergestellt wer- den. Schmale Schweissnähte setzen wiederum den Ver zug des geschweissten Werkstückes herab.
Weiterhin zeigen die erfindungsgemässen Elektro den infolge der verhältnismässig niedrigen Temperatur der Elektrodenspitze beim Schweissen eine geringe Abnutzung, die zur Folge hat, dass die Notwendigkeit einer häufigen Anschärfung der Elektrodenspitze oder des Ersatzes verbrauchter Elektroden herabgesetzt wird. Darüberhinaus wird hierdurch auch der Über gang von Wolfram in die Schmelze verringert und damit der Wolframgehalt des Werkstückes im Bereich der Schweissnaht verkleinert.
Bei den erfindungsgemässen Elektroden ist der Landthanoxydzusatz zweckmässigerweise gleichmässig über den ganzen Elektrodenwerkstoff verteilt. Für be stimmte Sonderfälle kann es jedoch auch günstig sein, das Lanthanoxyd im Innern der Elektrode entlang ihrer Achse zu konzentrieren, wodurch eine Elektrode in der Art der bekannten Selenelektroden entsteht.
Wenn auch geeigneten Tabellenwerken ohne weite res entnommen werden kann, dass Lanthan elektrone gativer als Wolfram ist, so ist seine Verwendung als Zusatz zu Wolfram bei Schweisselektroden bisher vor allem deshalb nicht versucht worden, weil es aus der Metallkunde bekannt ist, dass die Oxyde gewisser sel tener Erden, speziell jedoch die des Samariums und des Lanthans, als Zusätze zu Wolfram die mechanische Bearbeitbarkeit des letzteren stark herabsetzen.
Es konnte jedoch festgestellt werden, dass sich Schweiss- elektroden aus Wolfram mit Lanthanzusätzen trotz die ser Eigenschaften des Lanthans und auch trotz seines verhältnismässig grossen Ausdehnungskoeffizienten bei Einhaltung bestimmter Arbeitsbedingungen durchaus zufriedenstellend herstellen lassen, sofern der Lanthan oxydgehalt nicht über 2,5 % liegt.
Ein Herstellungsverfahren für die Elektrode beruht im wesentlichen auf einer Arbeitsweise, bei der zu nächst Lanthanoxyd mit Wolframmetallpulver oder Wolframsäureanhydrid vermischt wird, diese Pulvermi schung anschliessend gepresst und dann gesintert wird. Das fertige Sintermetall kann dann in bekannter Weise zu Elektroden verarbeitet werden.
Zur Erprobung der erfindungsgemässen Elektroden wurde unter anderem ihre Strombelastbarkeit in Ver gleich mit thorierten Wolframelektroden und Elektroden aus reinem Wolfram untersucht. Die Versuchsbedingungen waren:
EMI0002.0016
Elektrodendurchmesser: <SEP> 3 <SEP> mm
<tb> Zu <SEP> schweissendes <SEP> Material: <SEP> Kupfer
<tb> Elektrodenabstand <SEP> zum <SEP> Werkstück: <SEP> 3 <SEP> mm
EMI0002.0017
Schutzgas: <SEP> Argon, <SEP> 8 <SEP> ltr./Min.
<tb> Schweissstrom: <SEP> Wechselstrom <SEP> mit
<tb> Filterkondensator
<tb> Schweissdauer:
<SEP> 1 <SEP> Minute Als. richtige Höchstbelastung der Elektrode wurde diejenige Stromstärke angenommen, bei der die an der Elektrodenspitze entstehende Kugel gerade den glei chen Durchmesser wie die Elektrode selbst erreicht. Es ergaben sich für die maximale Belastung in Ampere folgende Ergebnisse:
EMI0002.0020
Reines <SEP> Wolfram: <SEP> 117 <SEP> Ampere
<tb> Wolfram <SEP> + <SEP> 1,2 <SEP> 0/o, <SEP> Thoriumoxyd: <SEP> 143 <SEP> Ampere
<tb> Wolfram <SEP> + <SEP> 0,7 <SEP> 0/o <SEP> Lanthanoxyd: <SEP> 154 <SEP> Ampere
<tb> Wolfram <SEP> + <SEP> 1,5 <SEP> 0/o <SEP> Lanthanoxyd: <SEP> 154 <SEP> Ampere Diese Ergebnisse zeigen, dass die Belastbarkeit der erfindungsgemässen Elektroden wesentlich besser als die reiner Wolframelektroden ist und sogar noch um rund 7,7 0/o höher liegt als diejenige der thorierten Wolframelektroden.
The invention relates to a tungsten electrode for arc welding under protective gas with an addition of substances that are more electronegative than tungsten, and a method for the manufacture thereof.
There are non-melting electrodes for electrical inert gas welding known that consist of tungsten ram as the base material and relatively small additions of compared to tungsten elektropositi veren substances. These additives improve the ignition properties of the electrode, stabilize the arc, which with pure tungsten electrodes tends to wander on the electrode tip, and reduce the temperature of the electrode tip with the same welding current. These more electropositive substances are usually mixed with the base material tungsten in the form of oxides in concentrations of up to about 3%.
Thorium oxide has proven to be a particularly favorable material. With such thoriated tungsten electrodes, the arc welding processes with non-consumable electrodes and under protective gas could be improved. Recently, however, it has been found that these advantages are linked to a considerable disadvantage, which is based on the dangerousness of the natural radioactivity of thorium.
The additions of thorium, which, with a half-life of a little over 101 years, is a relatively weak radioactive emitter that cannot be neglected in view of the strict radiation protection regulations, therefore pose a risk for those who use such electrodes handle it regularly and - since small amounts of the electrode material get into the weld - also for those people who come into contact with welded objects over long periods of time. In the case of the last-mentioned group of people, there is also the fact that they generally have no knowledge of the presence of radioactivity and consequently will not take any protective measures.
The invention is based on the object of developing a tungsten electrode which is improved by the addition of substances which are more electronegative than tungsten and which have no natural radioactivity and which is at least as advantageous in terms of welding technology as a thoriated tungsten electrode.
This object is achieved in that the electrode material contains 0.1 to 2.5% lanthanum oxide. The invention also relates to a method for producing the electrode, which is characterized in that the lanthanum oxide in powder form is mixed with tungsten metal powder or tungsten anhydride, this powder mixture is then pressed, then sintered, with the anhydride being used to form the tungsten is reduced, and the sintered body is processed into electrodes.
The welding electrodes according to the invention surprisingly have excellent welding properties, some of which even exceed those of the thoriated tungsten electrodes. Particularly noteworthy ben is first of all an improvement in ignitability, which is particularly important when welding with alternating current, in which a re-ignition of the arc is required at the beginning of each half cycle. In this case, the alternating current arc can be safely maintained even with a relatively low voltage. In addition, the burning time of the arc is not insignificantly increased in that half cycle in which the electrode is the cathode.
In comparison to pure tungsten electrodes, the electrodes according to the invention have a higher load capacity with the same dimensions, just like the known thoriated electrodes. If this advantage is used in the opposite sense, then, in comparison with pure tungsten electrodes, thinner electrodes can be used for the same current strength and, accordingly, weld seams with a smaller width can be produced. Narrow weld seams in turn reduce the distortion of the welded workpiece.
Furthermore, the electrodes according to the invention show little wear as a result of the relatively low temperature of the electrode tip during welding, with the result that the need for frequent sharpening of the electrode tip or the replacement of used electrodes is reduced. In addition, this also reduces the transition from tungsten to the melt and thus the tungsten content of the workpiece in the area of the weld seam.
In the case of the electrodes according to the invention, the landthane oxide additive is expediently evenly distributed over the entire electrode material. For certain special cases, however, it can also be advantageous to concentrate the lanthanum oxide in the interior of the electrode along its axis, creating an electrode in the manner of the known selenium electrodes.
Even if it can easily be deduced from suitable tables that lanthanum is more electronically negative than tungsten, its use as an additive to tungsten in welding electrodes has not yet been attempted, mainly because it is known from metallurgy that the oxides are certain sel tener earths, especially those of samarium and lanthanum, as additives to tungsten, greatly reduce the mechanical workability of the latter.
It was found, however, that welding electrodes made of tungsten with lanthanum additives can be produced satisfactorily in spite of these properties of lanthanum and also despite its relatively large expansion coefficient if certain working conditions are observed, provided that the lanthanum oxide content does not exceed 2.5%.
A manufacturing process for the electrode is essentially based on a procedure in which lanthanum oxide is mixed with tungsten metal powder or tungsten anhydride, this powder mixture is then pressed and then sintered. The finished sintered metal can then be processed into electrodes in a known manner.
To test the electrodes according to the invention, among other things, their current carrying capacity was investigated in comparison with thoriated tungsten electrodes and electrodes made of pure tungsten. The test conditions were:
EMI0002.0016
Electrode diameter: <SEP> 3 <SEP> mm
<tb> <SEP> material to be welded to <SEP>: <SEP> copper
<tb> Electrode distance <SEP> to <SEP> workpiece: <SEP> 3 <SEP> mm
EMI0002.0017
Shielding gas: <SEP> argon, <SEP> 8 <SEP> ltr./min.
<tb> welding current: <SEP> alternating current <SEP> with
<tb> filter capacitor
<tb> welding time:
<SEP> 1 <SEP> minute As. The correct maximum load on the electrode was assumed to be the current strength at which the ball created at the tip of the electrode just reached the same diameter as the electrode itself. The following results were obtained for the maximum load in amperes:
EMI0002.0020
Pure <SEP> tungsten: <SEP> 117 <SEP> amps
<tb> Tungsten <SEP> + <SEP> 1,2 <SEP> 0 / o, <SEP> Thorium Oxide: <SEP> 143 <SEP> amps
<tb> Tungsten <SEP> + <SEP> 0.7 <SEP> 0 / o <SEP> Lanthanum oxide: <SEP> 154 <SEP> amps
<tb> Tungsten <SEP> + <SEP> 1.5 <SEP> 0 / o <SEP> Lanthanum oxide: <SEP> 154 <SEP> amperes These results show that the load capacity of the electrodes according to the invention is significantly better than that of pure tungsten electrodes and is even around 7.7% higher than that of the thoriated tungsten electrodes.