DD143741A1

DD143741A1 - Nicht abschmelzende elektrode zum plasmaschweissen und verfahren zur herstellung dieser elektrode

Info

Publication number: DD143741A1
Application number: DD79212785A
Authority: DD
Inventors: Arkady L Bolotnikov; David G Bykhovsky; Viktor N Kiselev; Yakov V Rossomakho; Alexandr Y Medvedev
Original assignee: Vni Pk T I Elektrosvarotschno
Priority date: 1978-05-11
Filing date: 1979-05-10
Publication date: 1980-09-10
Also published as: SE426215B; US4304984A; DE2919084C2; GB2021370B; FR2425296B1; CS204664B1; DE2919084A1; FR2425296A1; SE7903624L; GB2021370A; CA1134457A

Description

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Elektrode zum Plasmaschweißen und Verfahren zur Herstellung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Einrichtung zur Plasma^ bearbeitung von Metallen, insbesondere auf nicht abschmelzende Elektroden zum Plasmaschweißen von Metallen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis.

Die vorgeschlagene nicht abschmelzende Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis kann mit Erfolg zum Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Damit das Plasmaschweißen der Stähle in Kohlendioxid-• medium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis mit anderen gut bekannten Schweißenverfahren, zum Beispiel mit UP-Schweißen mittels einer abschmelzenden Elektrode oder mit Schweißen mittels einer abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis konkurrieren kann, ist es notwendig, daß nicht abschmelzende Elektroden zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis die für die industrielle Ausnutzung annehmbare Lebensdauer bei Lichtbogenströmen über 4-00 A gewährleisten.

So müssen beispielsweise nicht abschmelzende Elektroden zum Plasmaschweißen beim Schweißen niedriggekohlter und

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niedriglegierter Stähle ohne Abschrägen der Kanten zur Erreichung der Geschwindigkeiten des Plasmaschweißens in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbads, die gleich oder höher als die Geschwindigkeiten des Schweißens mit bekannten Verfahren sind, die für die industrMle Ausnutzung annehmbare Lebensdauer bei Lichtbogenströmen von 400 bis 1000 A gewährleisten.

Bekannt ist eine nicht abschmelzende Elektrode zur Plasmabearbeitung in chemisch aktiven plasmabildenden Gasen, darunter auch in Kohlendioxid, die einen mit Flüssigkeit gekühlten Metallhalter aus Kupfer und einen aktiven Einsatz aus Zirkonium enthält, der mit dem Halter in einer metallurgischen Verbindung steht (s. z. B. US-PS 31 98 932).

Beim Betrieb dieser nicht absinnelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium tritt der aktive Einsatz aus Zirkonium mit aktiven Bestandteilen des plasmabildenden Gases wie Kohlendioxid und Sauerstoff in chemische Wechselwirkung ein. Auf der gesamten wirksamen Oberfläche des aktiven Einsatzes bildet sich die aus den Verbindungen von Zirkonium mit Kohlendioxid und Sauerstoff bestehende Oberflächenhaut, die im folgenden als Zirkoniumoxykarbidschicht bezeichnet wird«, Die Zirkoniumoxykarbidschicht hat eine höhere Temperauurwechselbeständigkeit und höhere Emissionseigenschaften als metallisches Zirkonium. Die genannte nicht abschmelzende Elektrode fand an Anlagen zum Plasmaschneiden und Plasmaschweißen von Metallen bei Licirbbogenströmen bis 300 A Verwendung.

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Bei der Plasmabearbeitung in-Kohlendioxidmedium bei Licht· bogenströmen über 300 A ist jedoch, die Lebensdauer einer solchen Elektrode zum idnustriellen Betrieb unannehmbar. Das schließt ihre Ausnutzung zum Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle mit der Dicke über 6 mm in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis praktisch aus.

B_ekannt ist auch eine nicht abschmelzende Elektrode zur Plasmabearbeitung von Metallen in chemisch aktiven plasmabildenden Medien, die Sauerstoff, Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthalten.

Diese nicht abschmelzende Elektrode weist einen Halter aus Kupfer und dessen Legierungen sowie einen aktiven Einsatz aus Hafnium auf (s. z. B. US-PS 3.592.649).

Beim Betrieb dieser nicht abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium tritt der aktive Hafniumeinsatz mit aktiven Bestandteilen des plasmabildenden Gases wie Kohlendioxid und Sauerstoff in chemische Wechselwirkung ein. Auf der gesamten wirksamen Oberfläche des aktiven Einsatzes bildet sich eine Hafniumoxykarbidschicht, die eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit und höhere Emissionseigenschaften als eine Zirkoniumoxykarbidschicht hat.

Die Lebensdauer solcher nicht, abschmelzenden Elektroden läßt sich bei der Plasmabearbeitung in Kohlendioxidmediuni bei Lichtbogenströmen bis 400 A ausnutzen und ist höher

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im Vergleich, zur Lebensdauer der Elektroden, die einen akti· ven Zirkoniumeinsatz haben.

Diese Lebensdauer ist jedoch zur Ausnutzung der Elektrode bei Lichtbogenströmen über 400 A v.'egen der Erhöhung der Erosionsgeschwindigkeit der Elektrode auch unannehmbar.

Es ist somit die nicht abschmelzende Elektrode mit einem aktiven Hafniumeinsatz zum Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle mit der Dicke über 6 mm in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis nicht auszunutzen.

Bekannt ist auch eine Katode für Lichtbogenvorgänge in chemisch aktiven Medien, die einen Kupferhalter und einen aktiven Einsatz enthält, der im wesentlichen aus Hafnium mit Legierungszuschlägen verschiedener Metalle und/ oder deren Legierungen ausgeführt ist.

Die Katode hat niedrigere Eros ions ge schvjindigkeit im Vergleich zur Elektrode mit dem aktiven Einsatz aus reinem Hafnium nur bei dem Aussetzbetrieb des Lichtbogenbrennens. Bei allen Betriebsarten aber gestattet die Lebensdauer einer solchen Katode die Plasmabearbeitung in Kohle ndioxidinedium bei Lichtbogenströmen bis 400 A.

Es kann somit die Katode mit einem aktiven Einsatz aus Hafnium mit Legierungszusätzen zum Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle mit der Dicke über 6 mm in Kohlendioxid-medium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis nicht ausgenutzt werden.

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Die obenbeschriebene Elektrode nach der US-PS 31 98 932 wird durch das Anbringen eines vorher chemisch behandelten aktiven Zirkoniumeinsatzes in einen Kupferhalter und die gemeinsame Erwärmung des Halters und des aktiven Einsatzes zur Erreichung einer metallurgischen Verbindung zväschen dem aktiven Einsatz und dem Kupferhalter hergestellt.

Alle anderen obenbeschriebenen Elektroden werden durch das mechanische Anbringen eines aktiven Einsatzes in einen Kupferhalter, z. B., durch das Kaltstanzenverfahren oder durch andere ähnliche Verfahren hergestellt.

Bei allen obenbeschriebenen Elektroden entsteht eine Oxykarbidschicht des entsprechenden Materials eines aktiven Einsatzes beim Lichtbogenbrennen in Kohlendioxidmedium.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die erv;ähnten Nachteile zu beseitigen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nicht abs dameIzende Elektrode zum Plasmaschweißen von Metallen zu schaffen und Verfroren zur Herstellung zu entwickeln, bei dem der aktive Einsatz so ausgeführt und bearbeitet ist, daß er die Arbeit der nicht abschmelzenden Elektrode bei Liditbogenstroiaen über 400 A mit der für die industrielle Ausnutzung annehmbaren Leben3~

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dauer gewährleistet, sowie beim Schweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle ohne Abschrägung der Kanten die Geschwindigkeit erhalten läßt, die gleich oder höher der Schweißgeschwindigkeiten mit bekannten Verfahren sind.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer nicht abschmelzenden Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbaas, die einen Halter aus Kupfer oder dessen Legierungen und einen in diesem Halter angeordneten aktiven Hafniumeinsatz aufweist, auf dessen Oberfläche eine Hafniumoxykarbidschicht angeordnet ist, erfindungsgemäß der aktive Einsatz auch eine auf die Hafniumoxykarbidschicht aufgetragene Graphitschicht enthält.

Das Auftragen auf eine Hafniumoxykarbidschicht einer Graphitschicht, die die wirksame Oberfläche des aktiven Einsatzes bildet, gewährleistet eine Verminderung des auf die nicht abschmelzende Elektrode fallenden Wärmeflusses und eine Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit und der Emissionseigenschaften der erfindungsgemä\ßen nicht abschmelzenden Elektrode.

Es ist zweckmäßig, daß die Graphitmenge in der auf die Hafniumoxykarbidschicht aufgetragene Graphitschicht durch

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die Höhe und den Durchmesser des aktiven Einsatzes bestimmt wird, die aus folgendem Verhältnis ausgewählt sind:

h = (0,25 - O,75)äi wobei

h - Höhe des aktiven Einsatzes und d- Durchmesser des aktiven Einsatzes

Zur Erhöhung der Lebensdauer der Elektrode, die mit der Bildung der Graphitschicht auf dem größten Teil und bestenfalls auf der gesamten Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht und mit der ununterbrochenen Aufrechterhaltung der gebildeten Graphitschicht .bei dem Betrieb der nicht abschmelzenden Elektrode bei Arbeitsströmen des Lichtbogens zusammenhängt, ist es notwendig, eine intensivere und gleichmäßigere Abkühlung des aktiven Einsatzes zu gewährleisten.

Zur Erfüllung dieser Bedingungen wird vorgeschlagen, die geometrischen Parameter eines aktiven Einsatzes (Höhe und Durchmesser) so auszuwählen, daß die Höhe kleiner als der Durchmesser ist.

Versuchsweise wurde festgestellt, daß bei einer Höhe des aktiven Einsatzes, der unter 0,25 des Durchmessers liegt, d. h., bei der intensivsten Abkühlung" des aktiven Einsatzes, die nicht abschmelzende Elektrode nicht arbeitsfällig wird. Das liegt daran, daß bei der Unterkühlung des Materials der Emissionsoberfläche die Kontraktion des Katodenbrennfleckes entsteht, der Lichtbogen räumlich instabil vär.d

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und die schnelle Zerstörung der nicht abschmelzenden Elektrode erfolgt. ..,Bei einer Höhe des aktiven Einsatzes über 0,75 des Durchmessers werden die Verhältnisse des minimalen radialen Temperaturgradienten auf der Hafniumoxykarbidschicht soweit gestört, daß die Bildung und die ununterbrochene GIeichgewichtsaufrechterhaltung der Graphitschicht unmöglich werden und zur schnellen Zerstörung der nicht abschmelzenden Elektrode führt.

Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß beim Herstellungsverfahren einer nicht abschmelzenden Elektrode zum Plasmaschweißen, das in der Verbindung eines Halters aus Kupfer oder dessen Legierungen mit einem aktiven Einsatz besteht, erfindungsgemäß der Halter aus Kupfer oder dessen Legierungen an den Minuspol der Speisequelle angeschlossen wird, die nicht abschmelzende Elektrode in Kohlendioxidmedium untergebracht wird und eine Hilfselektrode an den Pluspol der Speisequelle zwischen den genannten Elektroden unter Bildung eines Lichtbogens angeschlossen wird. Dabei wird zuerst auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes eine Hafniumoxykarbidschicht beim Stromwert des Lichtbogens bis 0,2 I gebildet, dann wird der Lichtbogenstrom von 0,2 bis auf I mit einer Stärke von max. 40 A/sec. unter der Bildung einer Graphitschicht auf der vorher gebildeten Hafniumoxykarbidschicht erhöht, wobei I der Betriebsstrom der nicht abschmelzenden Elektrode ist.

Die Zeit der Bildung einer Hafniumoxykarbidschicht bei der Lichtbogenzündung beträgt etwa 0,05 - 0,5 see. Zum Bedecken der gesamten Oberfläche eines aktiven Einsatzes mit einer Hafniumoxykarbidschicht reicht es aus,

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den Lichtbogenstrom aufrechtzuerhalten, der nur 0,2 1 des gesamten Betriebsstromes I der nicht abschmelzenden Elektrode beträgt.

Zur Anfangsbildung einer Hafniumoxykarbidschicht ist es ausreichend, im Anfangsmoment des Lichtbogenbrennens den Stronrwert auf der Höhe bis 0,2 I des gesamten Betriebs· stromes I aufrechtzuerhalten, während es zur weiteren Bildung des Graphitüberzuges auf der wirksamen Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht notwendig ist, den Lichtbogenstrom allmählich von 0,2 I his auf den gesamten Betriebsstrom des Lichtbogens I mit der Geschwindigkeit max. 40 A/sec. zu erhöhen.

¥/enn die allmähliche Erhöhung des Lichtbogenstromes I mit Werten über 0,2 I und mit Geschwindigkeiten über 4-0 A/sec. beginnt, so entsteht eine übererwärmung der wirksamen Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht und eine starke Störung der radialen Temperaturverteilung, was die Bildung eines Graphitüberzuges ausschließt.

Ausführungsbeispiel

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1: Schnitt durch die erfindungsgemäße nicht abschmelzende Elektrode,

Fig.. 2: Ansicht in Pfeilrichtung A in Fig. 1,

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Fig. 3ί ein weiteres Ausführungsbeispiel der nicht abschmelzenden Elektrode, Ansicht in Pfeilrichtung A in Fig. 1,

Fig. 4: schematisch ein Blockschema des Herstellungsverfahrens der nicht abschmelzenden Elektrode,

Fig. 5i ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Lichtbogenstromwertes von der Zeit bei der Herstellung der nicht abschmelzenden Elektrode erfindungsgemäß kennzeichnet.

Beim Betrieb der nicht abschmelzenden Elektrode, die einen H_alter und einen aktiven Einsatz enthält, findet eine Erosion des aktiven Einsatzes statt» entsteht ein Krater und die vollständige Lebensdauer wird beim Ausbrennen des aktiven Einsatzes auf dessen ganze Tiefe realisiert. Die Versuche zeigten, daß sich bei dar Arbeit der nicht abschmelzenden Elektroden in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis bei Lichtbogenströmen über 400 A die Erosionsgeschwindigkeit des aktiven Einsatzes stark erhöht. Die Ursache eines so schnellen Abbrandes der nicht abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis steht damit in Verbindung, daß der ^T<värmefluß beim 3etrieb der nicht abschmelzenden Elektrode mit der Erosion des aktiven Einsatzes und Eintauchen der Bogensäule in den sich bildenden Krater zunimmt und eine stürmische Zerstörung dar Elektrode geschieht.

Eine geringe Anzahl der nicht abschmelzenden Elektroden (etwa 10 % von der gesamten Anzahl der untersuchten Elek-

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troden) arbeitete jedoch bei der Erhöhung des Lichtbogenstromes über 400 A in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis im Laufe einiger Stunden stabil. Eine Gefügeanalyse der wirksamen Oberfläche des aktiven Hafniumeinsatzes zeigte, daß die Hafniumoxykarbidschicht auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes aller stabil funktionierenden nicht abschmelzenden Elektroden mit einer Graphitschicht bedeckt ist und die Hafniumoxykarbidschicht auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes aller nichtabschmelzenden Elektroden, die eine hohe Erosionsgeschwindigkeit haben keinen Graphitüberzug hat.

Es wurde somit ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der erhöhten Beständigkeit einer nicht abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis bei Lichtbogenströmen über 400 A und dem Vorhandensein einer Graphitschicht auf der wirksamen Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht, die die wirksame Oberfläche des aktiven Hafniumeinsatzes bedeckt, festgestellt.

Die Versuche zeigten, daß die Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis umso höher ist, je größer die mit einer Graphitschicht bedeckte Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht ist und daß die Bildung einer Graphitschicht auf einer Hafniumoxykarbidschicht immer von der Randzone der wirksamen Oberfläche zum Zentrum geschieht, d. h. an den Stellen der Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht, die die niedrigste Betriebstempe-

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ratur haben.

Der Meinung der Autoren nach entsteht eine Graphitschicht auf der Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht als Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen Hafniumoxykarbid mit Kohlendioxid, das sich bei der thermischen Dissoziation von Kohlendioxid an dem an der Katode anliegenden Teil der Lichtbogensäule bildet.

Die Besonderheit dieser Wechselwirkung besteht in einem engen Temperaturbereich von max. 500 ⁰C, in dem sie mit der Graphitbildung einher geht. Damit läßt sich die versuchsweise beobachtete Bildung einer Graphitschicht in der Randzone der Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht erklären, wo die Betriebstemperatur der Schicht einerseits minimal ist und andererseits einen geringen radialen Gradienten hat.

Eine weitere Tjesentliche Besonderheit der Wechselwirkung Hafniumoxykarbid mit Kohlendioxid besteht darin, daß diese Wechselwirkung bei einem hohen absoluten Temperaturpegel über 2500 ⁰C vorsichgeht.

Bei solchen Temperaturen kann die Graphitschicht einen Hauptanteil des Lichtbogenstromes auf Kosten des Thermoemissionsstromes gewährleisten, was zu einer Lebensdauer erhöhung einer nicht abschmelzenden Elektrode führt, die bei einer Vergrößerung des Anteiles der v^irksamen Oberfläche der mit einer Graphitschicht bedeckten Hafniumoxykarbidschicht beobachtet wird_e

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Eine versuchsweise Untersuchung der Abhängigkeit der Lebensdauer einer nicht abschmelzenden Elektrode von der Fläche der mit einer Graphitschicht bedeckten Hafniumoxykarbidschicht zeigte, daß, obwohl die maximale Lebensdauer einer nicht abschmelzenden Elektrode bei der Bedekkung der gesamten Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht mit einer Graphitschicht realisiert wird, die zur industriellen Ausnutzung der nicht abschmelzenden Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium bei Lichtbogenströmen über 400 A eine befriedigende Lebensdauer gewährleistet wird, γ,/enn eine Graphit schicht bei der vorgeschlagenen Geometrie des aktiven Einsatzes beim Betrieb der nicht abschmelzenden Elektrode auf der Fläche mindestens 0,25 der gesamten wirksamen Fläche einer Hafniumoxykarbidschicht gebildet und ununterbrochen aufrechterhalten wird.

In diesem Zusammenhang damit wurde eine nicht abschmelzende Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis geschaffen, die einen Filter 1 (Fig. 1), der aus Kupfer oder dessen Legierungen ausgeführt ist, und einen in ihm bündig angeordneten aktiven Einsatz 2 aus Hafnium enthält. Auf der Außenfläche des aktiven Einsatzes ist eine Schicht auf Hafniumoxykarbid angeordnet.

Auf der Hafniumoxykarbidschicht 3 ist eine Schicht 4 aus Graphit angeordnet.

Das vorläufige Auftragen der Schicht 4 aus Graphit auf die Schicht 3 aus Hafniumoxykarbid gewährleistet eine hohe Beständigkeit der nicht abschmelzenden Elektrode

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beim Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis bei der Verwendung der erfindungsgemäßen nicht abschmelzenden Elektrode als Katode eines Lichtbogen-Plasmabrenners. Eine positive Wirkung besteht darin, daß die Verbindung der Schicht 3 aus Hafniumoxykarbid mit der Schicht 4 aus Graphit auf der Emissionsoberfläche des aktiven Einsatzes 2 auf Hafnium die Möglichkeit bietet, eine nicht abschmelzende Elektrode mit der minimalen Elektronenaustrittsarbeit zu erhalten. Eine Verminderung der Elektronenaustrittsarbeit gestattet beim vorgegebenen Lichtbogenstrom eine niedrigere Betriebstemperatur auf der Emissionsoberfläche der nicht abschmelzenden Elektrode zu erhalten, -was den Wärmefluß in die nicht abschmelzende Elektrode herabsetzt.

Im Ergebnis verringert sich die thermische Erosion des aktiven Einsatzes 2 und die Lebensdauer der nicht abschmel· zenden Elektrode erhöht sich.

Auf Eig. 2, die eine nicht abschmelzende Elektrode seitens der wirksamen Oberfläche darstellt, deckt die Graphitschicht 4 die Hafniumoxykarbidschicht 3 teilweise. Es wurde dabei von uns festgestellt, daß die Graphitschicht 4 die Hafniurnoxykarbidschicht 3 von der Linie der Stoßstelle der Oxykarbidschicht 3 mit dem Halter 1 zu der Achse der nicht abschmelzenden Elektrode decken muß.

Versuchsweise wurde festgestellt, daß es zur Gewährleistung der Betriebseigenschaften der nicht abs clime Iz enden Elektrode bei Strömen über 4-00 A genügt, daß die Graphitschicht 4 0,25 der Fläche der Hafniumoxykarbidschicht 3 bedeckt.

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Die Wärmeflußminderung hat die Temperaturwechselbeständigkeit der nicht abschmelzenden Elektrode zur Folge, d. h. sie führt zum Herabsetzen der Erosion des aktiven Einsatzes 2.

In Fig. 3 bedecicG die Graphitschicht 4 vollständig die Hafniumoxykarbidschicht J>, In diesem Falle werden die maximalen Betriebseigenschaften der nicht abschnä.zenden Elektrode realisiert, die eine Durchführung des Plasmaschweißens in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis bei Lichtbogenströmen bis 1000 A ermöglichen.

Ausführungsbeispiel

Nachstehend sind Beispiele der erfindungsgemäßen nicht abschmelzenden Elektrode und Erprobungsbeispiele der nicht abschmelzenden Elektrode beim Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis angeführt.

Beispiel 1

In der nicht abschmelzenden Elektrode, die einen Kupferhalter mit dem Durchmesser von20 mm und einen aktiven Hafniumeinsatz mit dem Durchmesser von 3,6 mm enthält, wurde auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes eine Hafniumoxykarb ids chi ent erzeugt, auf deren gesamter -wirk:" samer Oberfläche eine Graphitschicht gebildet wurde.

Die Höhe des aktiven Einsatzes betrug 0,9 mm.

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Die nicht abschmelzende Elektrode wurde in einem Plasmabrenner mit dem Düsendurchmesser von 11 mm in den Plasmaschweißbetrieb unter folgenden Parametern des Vorganges erprobt: Werkstoff der zu schweißenden Platten - niedriggekohlter

Stahl

Dicke der zu schweißenden Platten, mm -18+18 plasmabildendes Gas - GO*

Lichtbogenstrom, A - 1000

Verbrauch an plasmabildendem Gas, l/h - 4-00

Die Platten wurden in der unteren L_age ohne Abschrägen,^:. der Kanten mit dem durchgehenden Einbrand in einem Durchgang mit der Geschwindigkeit 30 m/h geschweißt. Die Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode als Gesamtbrenndauer eines Lichtbogens beim Schweißen betrug 1 Stunde,

Beispiel 2

In der nicht abschmelzenden Elektrode, die einen Kupferhalter mit dem Durchmesser von 20 mm und einen aktiven Hafniumeinsatz mit dem Durchmesser von 3 mm enthält, wurde auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes eine Hafniumoxykarbidschicht gebildet. Auf 0,75 <3.e:r Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht wurde eine Graphit schicht gebildet. Die Höhe des aktiven Einsatzes betrug 1,5

Die nicht abschmelzende Elektrode wurde in einem Plasma brenner mit dem Düsendurchmesser von 8 mm in den Plasmas chvveißbe trieb en unter folgenden Parametern des Vorganges erprobt:

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Werkstoff der zu schweißenden Erzeugnisse - niedriggekohlter Stahl

Dicke der zu schweißenden Platte, mm -12+12 plasmabildendes Gas - Gemisch aus

90 % CO₂ + 10 % O₂

Lichtbogenstrom, A »- 750

Verbrauch an plasmabildendem Gas, l/h - 800

Die Platten wurden in der unteren Lage ohne Abschrägen der Kanten mit dem durchgehenden Einbrand in einem Durchgang mit der Geschwindigkeit 50 m/h geschweißt. Die Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode als Gesamtbrenndauer eines Lichtbogens beim Schweißen betrug 1,7 Stunden.

Beispiel 3

In der nicht abschmelzenden Elektrode, die einen Kupferhalter mit dem Durchmesser von 16 mm und einen aktiven Einsatz aus Hafnium mit dem Durchmesser von 2,6 mm enthält, wurde auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes eine Schicht aus Hafniumoxykarbid gebildet. Auf 0,25 3 er Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht wurde eine Graphitschicht gebildet. Die Höhe des aktiven Einsatzes betrug 1,9 mm·

Die nicht abschmelzende Elektrode wurde in einem Plasmabrenner mit dem Düsendurchmesser von 8 mm in den Plasmaschweißbetrieben unter folgenden Parametern des Vorganges erprobt:

Werkstoff der zu schweißenden Platten - niedriglegierter

Stahl

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Dicke der zu schweißenden Platten, mm -6 + 6

plasmabildendes Gas - COp

Lichtbogenstrom, A - 450

Verbrauch an plasmabildendem Gas ι l/h - 300

Die Platten wurden in der unteren Lage ohne Abschrägen der Kanten mit dem durchgehenden Einbrand in einem Durchgang mit der Geschwindigkeit 50 m/h geschweißt. Die Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode als Gesamtbrenndauer eines Lichtbogens beim Schweifen betrug dabei 7 Stunden.

Beispiel 4-

In der nicht abschmelzenden Elektrode, die einen Kupferhalter mit dem Durchmesser von 20 mm und einen aktiven Hafniumeinsatz mit dem Durchmesser von 3 ™& enthält, wurde auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes eine Schicht aus Hafniumoxykarbid gebildet* Auf 0,85 der Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht wurde eine Graphitschicht gebildet. Die Höhe des aktiven Einsatzes betrug 1,2 mm.

Die nicht abschmelzende Elektrode wurde in einem Plasmabrenner mit dem Düsendurchmesser von 9 mm in den Plasmaschweißbetrieben unter folgenden Parametern des Vorganges erprobt: Werkstoff der zu schweißenden Platten - niedriglegierter

Stahl

Dicke der zu schweißenden Platten, mm -»8 + 8 plasmabildendes Gas - COp

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Lichtbogenstrom, A - 800

Verbrauch an plasmabildendem Gas, l/h - 1000

Die Platten wurden in der unteren L_age ohne Abschrägen der Kanten mit dem durchgehenden Binbrand in einem Durchgang mit der Geschwindigkeit 80 m/h geschweißt· Die Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode als Gesamtbrenndauer eines Lichtbogens beim Schweißen betrug dabei 2,1 Stunden.

Zur Gewinnung einer Graphitschicht auf der Schicht aus Hafniumoxykarbid und zur Gleichgeviichtsaufrechterhaltung des Graphitüberzuges beim Betrieb der nicht abschmelzenden Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis ist es notwendig, daß die Graphitschicht auf die Hafniumoxykarbidschicht im voraus aufgetragen wird, d. h. vor der Verwendung der nicht abschmelzenden Elektrode zum Plasmaschweißen.

Die Autoren haben versuchsweise festgestellt, daß die eine positive Wirkung gewährleistende Graphitschicht auf der Hafniumoxykarbidschicht nur bei der Bearbeitung der nicht abschmelzenden Elektrode mit einem in Kohlendioxidmedium brennenden Lichtbogen geschaffen seih kann, für Vielehen die zu bearbeitende nicht abschmelzende Elektrode eine Katode ist, d. h. die Elektrode, die an den Minuspol der Lichtbogenspeisequelle angeschlossen ist. Davon zeugen die von den Autoren durchgeführten Versuche, in deren Verlauf die mit dem Lichtbogen zu bearbeitende nicht abschmelzende Elektrode an den Pluspol der Licntbogenspeiseangeschlossen war, d. h. eine Anode war. Ausnahme-

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los wurde in allen diesen Versuchen keine Graphitschicht auf der wirksamen Oberfläche des aktiven Einsatzes gebildet und die nicht abschmelzende Elektrode zerstörte sich schnell.

Die Autoren haben auch festgestellt, daß die Bildung einer Hafniumoxykarbidschicht auf der wirksamen Oberfläche des aktiven Einsatzes bei der Bearbeitung der nicht abschmelzenden Elektrode, die eine Katode ist, mit dem in Kohlendioxid brennenden Lichtbogen praktisch augenblicklich nach der Lichtbogenzündung geschieht.

Während die Bedingungen der Bildung einer Hafniumoxykarbidschicht (Lichtbogenstrom und Lichtbogenbrenndauer)' in breiten Bereichen variieren können, sind die Bedingungen der Bildung einer Graphitschicht auf der Hafniumoxykarbidschicht, wie die Versuche zeigten, streng bestimmt.

Das folgt aus der Notwendigkeit eine ganz bestimmte Temperatur und einen radialen Temperaturgradient auf der wirksamen Oberfläche der Hafniumoxycarbidschicht aufrechtzuerhalten, bei denen die Bildung eines Graphitüberzuges erfolgt.

Beim Gegenüberstellen der Versuchergehnisse und der wärmephysikalischen Eigenschaften einer Hafniumoxykarbidschicht, eines Hafniumeinsatzes und eines Kupferhalters, kamen die Autoren zum Schluß, daß es für die Ausführung der obenbeschriebenen Bedingungen der Graphitüberzugsbildung außer einer bestimmten Schaltung der zu bear-

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beutenden nicht abschmelzenden Elektrode in den Stromkreis der Lichtbogenspeisequelle unbedingt notwendig ist, eine bestimmte Geschwindigkeit der Erhöhung des Lichtbogenstromes zu befolgen.

Die Einrichtung zur Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung der nicht abschmelzenden Elektrode enthält eine Gleichstromquelle 5 (Fig. 4), deren Minuspol an den Halter :1 der nicht abschmelzenden Elektrode und deren Pluspol an eine Hilfselektrode 6 angeschlossen ist. Der Halter 1 mit einem in ihm untergebrachten aktiven Hafniumeinsatz 2 ist in einer Kammer 7 angeordnet, die mit einem Mittel 8 zum Einlaß von Kohlendioxid und einem Mittel 9 zum Auslaß des Kohlendioxides ausgerüstet ist.

Eine nicht abschmelzende Elektrode, die einen Kupferhalter 1 mit einem in ihm vorher bündig eingepreßten aktiven Hafniumeinsatz 2 aufweist, wird in der Kammer 1 untergebracht und an den Minuspol einer Gleichstromquelle 5 angeschlossen. Der Kammer 7 wird Kohlendioxid zugeführt. Dann wird der Lichtbogen 10 zwischen dem aktiven Eafniumeinsatz 2 und der vorher an den Pluspol der Gleichstromquelle 5 angeschlossenen Hilfselektrode 6 gezündet. In einem auf Fig. 5 dargestellten Diagramm ist eine Kurve 11 der Abhängigkeit des Lichtbogenstromwertes von der Zeit gezeigt; dabei ist längs der Ordinatenachse der Stromwert des Lichtbogens 10 und längs der Abszissenachse die zur Herstellung einer nicht abschmelzenden Elektrode aufgewandte Zeit aufgetragen.

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Aus der Untersuchung der Kurve 11 ist ersichtlich, daß nach der Zündung des Lichtbogens 10 im Laufe X <. 0,5 see. bei dem. Stromwert I des Lichtbogens 10, der max. 0,2 I ist, auf der .Emissionsoberfläche des aktiven Hafniumeinsatzes 2 eine Hafniumoxykarbidschicht 3 gebildet wird, die die gesamte Emissionsoberfläche des aktiven Hafniumeinsatzes 2 bedeckt. Ohne das Lichtbogenbrennen zu unterbrechen, wird dann der Strom I des Lichtbogens 10 mit der Geschwindigkeit max. 40 A/sec. bis auf den gesamten Betriebsstrom I der nicht abschmelzenden Elektrode mit der Bildung auf der Hafniumoxykarbidschicht 3 einer Graphitschicht 4 erhöht. Dann -wird der Lichtbogen gelöscht. Wenn dabei die gesamte Brenndauer i TIi < ^ ^ ^ 2 ^eträgt, so bedeckt die Graphitschicht 4 die Hafniumoxykarbidschicht 3 nur teilweise, aber mindestens 0,25 der Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht. Wenn

⁴⁰ A sec

wobei I der gesamte Betriebsstrom einer nicht abschmelzenden Elektrode ist, so bedeckt die Graphitschicht 4 vollständig die Hafniumoxykarbidschicht 3·

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer nicht abschmelzenden Elektrode zum Schweißen in Kohlendioxid- ~ medium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis ermöglicht es, im Verlauf- eines Zyklus des Lichtbogenbrennens auf einen aktiven Einsatz eine Hafniumoxykarbidschicht und auf diese eine Graphitschicht aufzutragen.

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Claims

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Erfindungsanspruch

1. Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis, die einen Halter aus Kupfer oder dessen Legierungen und einen in diesem H_alter untergebrachten Einsatz aus Hafnium enthält, auf dessen Oberfläche eine Schicht aus Hafniumoxykarbid angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß der aktive Einsatz (2) auch eine Schicht (4) aus Graphit aufweist, die auf die Schicht (3) aus Hafniumoxykarbid aufgetragen ist.

2· Nicht abschmelzende Elektrode nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Graphitmenge in der Schicht (4), die auf die Schicht (3) aus Hafniumoxykarbid aufgetragen ist, durch die Höhe und den Durchmesser des aktiven Einsatzes (2) bestimmt wird, die aus folgendem Verhältnis ausgewählt werden:

h = (0,25 - 0,75)d, wobei

h - Höhe des aktiven Einsatzes und d - Durchmesser des aktiven Einsatzes

sind.

3· Verfahren zur Herstellung einer nicht abschmelzenden Elektrode nach Punkt 1, durch die Verbindung eines Halters aus Jüipferoder dessen Legierungen mit einem aktiven Einsatz aus Hafnium, gekennzeichnet dadurch, daß der genannte Halter (1) an den Minuspol der Speisequelle (5) angeschlossen wird, die nicht abshmelzende

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25· 10. 1979 55 485 13

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Elektrode in Kohlendioxidmedium untergebracht wird, die Hilfselektrode (6) an den Pluspol der Speisequelle (5) mit der Bildung zwischen den genannten Elektroden eines Lichtbogeais (10) angeschlossen wird; dabei wird zuerst auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes (2) eine Schicht (3) aus Hafniumpxykarbid beim Stromwert des Lichtbogens (10) bis 0,2 I gebildet und dann wird der Strom des Lichtbogens (10) . von 0,2 I bis auf I mit der Geschwindigkeit max. 40 A/sec. unter Bildung einer Schicht (4) aus Graphit auf der früher gebildeten Schicht (3) aus Hafniumoxykarbid erhöht, wobei I der Betriebsstrom der nicht abschmelzenden Elektrode ist.

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