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Schutzgas-Gleichstromlichtbogen-Schweißverfahren mit negativer Drahtelektrode
und Steuermetallen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für das Schutzgas-Gleichstromlichtbogen-Schweißen
mit einer als Kathode geschalteten abschmelzenden Drahtelektrode, der zur Erzielung
eines Sprühüberganges Steuermetalle zugemischt bzw. zugeführt werden.
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Das oxydierende Gas Kohlendioxyd wurde bereits zum Abschirmen des
Lichtbogens bei der Lichtbogenschweißung vorgeschlagen und wird auch zu diesem Zweck
verwendet. 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 C O, 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 Material haftet an dem Werkstück und sammelt sich in der Schutzgasdüse
an. Immerhin konnten diese Fehler wenigstens zum Teil so weit abgestellt werden,
daß das Verfahren praktisch durchführbar wurde; man verwendet zu diesem Zweck unter
anderem einen extrem kurzen Lichtbogen, den man praktisch bis unter die Oberfläche
des Werkstückes senkt. Bei der Automatenschweißung, bei der man solche »versenkten«
Lichtbögen genau einhalten kann, hat sich diese Maßnahme als technisch mögliche
Lösung des Problems erwiesen. Sie stellt aber noch keine voll befriedigende Lösung
dar und ist außerdem für die Schweißung von Hand ungeeignet, da der Schweißer dabei
die kritische kurze Bogenlänge nicht einhalten kann. Ferner entsteht bei Verwendung
derartiger kurzer Bögen notwendigerweise eine hohe und schmale Schweißraupe, und
die gewünschte Festigkeit der Schweiße wird nicht immer erreicht.
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Es ist auch schon ein mit Kohlendioxyd als Schutzgas arbeitendes Lichtbogen-Schweißverfahren
bekanntgeworden, bei dem der Metallübergang von der Elektrode auf das Werkstück
unter Verwendung einer mit Flußmittel gefüllten Rohrelektrode durch axiales Sprühen
erfolgt. 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
in Bögen mit Kohlendioxyd als Schutzgas in Form des geschilderten Absprühens erfolgt,
erübrigt es sich, mit kurzen oder »versenkten« Bögen zu arbeiten. Indessen ist eine
gefüllte Rohrelektrode teuer in der Herstellung und mit vertretbarem Aufwand nicht
in den geringen Durchmessern zu fertigen, wie sie heute in den Automaten oft verwendet
werden.
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Ein zum Schutze des Bogens mit inertem Gas, wie z. B. Argon, arbeitendes
Lichtbogen-Schweißverfahren, bei dem der Werkstoffübergang durch Absprühen
von
der Elektrode erfolgt- -und : das mit positiver Drahtelektrode und hoher Stromdichte
@ arbeitet, ist heute allgemein bekannt und findet weitverbreitete technische Anwendung.
Dieses Schweißverfahren ist durch die hohe Qualität der Schweißungen ausgezeichnet,
die mit ihm bei jedem Metall und in jeder Lage erzeugt werden können. Der Erfolg
dieses Verfahrens läßt sich zum -Teil auf die Kombination von Elementen zurückführen,
die durch ihr Zusammenwirken das Metall durch »Sprühen« von der Elektrode zum Werkstück
übergehen lassen.
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Man hat auch hochwertige Sprühschweißungen bei allen Metallen und
in allen Lagen erzielt, indem man mit einem durch inertes Gas geschützten Wechselstrombogen
bei negativer Drahtelektrode arbeitete. Derartige Schweißverfahren setzen zu der
als Bogenkathode geschalteten Elektrode Verbindungen hinzu, die in der inerten Schutzgasatmosphäre
in Stoffe dissoziieren, welche mit dem Metall der Kathode und dem inerten Gas der
Schutzhülle zusammenwirken, dadurch das Phänomen des Werkstoffüberganges durch »Sprühen«
hervorbringen und »Steuermetalle« genannt werden.
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Es ist ferner der allgemeine Vorschlag gemacht worden, zu dem mit
C 02 geschützten Lichtbogen Steuermetalle zuzugeben. Die in dem mit C 02 geschützten
Bogen herrschenden elektrischen und chemischen Bedingungen unterscheiden sich jedoch
vollständig von denen in mit Argon, also einem inerten Gas, geschützten Bögen. Dies
ist vermutlich die Erklärung für die Tatsache, daß ein Mittel zwar in dem mit inertem
Gas geschützten Bogen das Absprühen bewirkt, in einer oxydierenden Atmosphäre, wie
z. B. Kohlendioxyd; jedoch nicht im geringsten einen günstigen Einfuß auf den Metallüberlg
ausübt. Die Umgebung der Bogenkathode ist nämlich in inertem Gas wesentlich anders
als in dem oxydierend wirkenden Kohlendioxyd. -Praktisch jede Metallverbindung dissoziiert
unter Bildung eines positiven .Metallions, wenn sie den extrem hohen Temperaturen
im Bereich des Lichtbogens ausgesetzt 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 geeignete Steuermetalle anwesend sind, wird dadurch
die Bildung einer stark emittierenden Kathodenoberfläche möglich. Wenn das Steuermetall
richtig aus den Gruppen der Alkalien, Erdalkalien oder seltenen Erden ausgewählt
wird, setzt der elementare Film des Zusatzmetalls auf dem Grundmetall den Einfluß
der dem Grundmetall innewohnenden Eigenschaften herab und steigert die Emissionsstärke
von der Oberfläche an der geeigneten Steile auf der Kathode.
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Wenn jedoch der Bogen durch eine oxydierende Atmosphäre, wie z. B.
C 02, 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 wiederum einer der Gründe zu sein, weshalb Sprühmittel,
die in inerten Atmosphären hochwirksam und vollkommen befriedigend c sind, in Kohlendioxyd
oder in anderen oxydierenden Atmosphären vollständig unwirksam bleiben und kein
Absprühen hervorrufen. Was jedoch auch immer der Grund sein mag, es war bisher nicht
möglich, mit bei Inertgas axial absprühenden Elektroden auch bei Verwendung eines
oxydierenden Gases wie Kohlendioxyd spritzerfreie Schweißgutablagerungen i zu erzielen.
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Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Schweißen
in einer Kohlendioxydatmosphäre zu entwickeln, bei dem ohne Verwendung einer gefüllten
Rohrelektrode der Metallübergang von der Elektrode zum Werkstück durch Sprühen,
also in äußerst feintropfiger Form, erfolgt und das mit normalen Bogenlängen, bei
nichtversenktem Bogen, arbeitet und bei dem praktisch kein Verspritzen auftritt,
so daß auch 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 Stahlelektroden, 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.
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Die Erfindung besteht in der Kombination der an sich bekannten Merkmale
a) bis c) und in dem Merkmal d): a) Als Schutzgas wird C O, verwendet; b) als Steuermetall
dient Caesium bzw. eine Caesiumverbindung; c) außerdem wird noch ein zweites Alkalimetall
bzw. eine zweite Alkalimetallverbindung angewendet; d) der Gewichtsanteil des zweiten
Alkalimetalls beträgt 20 bis 500% des Caesiumanteiles multipliziert mit dem Atomgewichtsverhältnis
des zweiten Alkalimetalls und des Caesiums.
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Vorzugsweise wird eine Drahtelektrode zur Durchführung dieses Verfahrens
verwendet, bei der die Gewichtsanteile des zweiten Alkalimetalls und des Caesiums
dem Verhältnis der Atomgewichte entsprechen. Besonders günstig ist es, wenn der
Gewichtsanteil des Caesiums mindestens 0,01'% des Elektrodengewichtes und der Gewichtsanteil
des zweiten Alkahmetalls etwa 20'% des Caesiumgewichtes beträgt. Es wird eine Drahtelektrode
bevorzugt, die die Steuermetalle in einem Überzug enthält, der mehr als 0,0311/o
des Elektrodengesamtgewichtes ausmacht. Zweckmäßigerweise sind dem Draht in an sich
bekannter Weise wenigstens 0,25 Gewichtsprozent eines reduzierenden Metalls und
vorzugsweise - außerdem wenigstens 0,25 Gewichtsprozent Mangan zugesetzt.
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Die entstehende Schweißung ist frei von Nitrid-und Oxydeinflüssen.
Bei richtigem Verlauf der Desoxydation, der vorzugsweise durch die chemische Zusammensetzung
des Elektrodendrahtes gesteuert werden kann, können unter anderem in praktisch allen
Arten von eisenhaltigen Werkstoffen, einschließlich unberuhigten, halbberuhigten
und beruhigten Stählen, niedriglegierten Stählen, rostfreien und hitzebeständigen
Stählen usw., tadellose, von porösen Stellen und Einschlüssen praktisch freie Schweißurigen
erzeugt werden.
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In abschmelzenden, eisenhaltigen Elektrodendrahten verwendet man neben
Mangan gewöhnlich mindestens eins der desoxydierenden Elemente, (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 0,250/0)
vorhanden. Es hat sich gezeigt, daß diese Stoffe beim Lichtbogenschweißen unter
CO 2 als Schutzgas dem das Absprühen hervorrufenden Caesium entgegenwirken,
während sie beim Lichtbogenschweißen mit inertem Schutzgas keinen derartigen Einfluß
zeigen.
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Da Kohlendioxydgas, verglichen mit inerten Gasen wie z. B. Argon,
einen relativ starken Spannungsabfall innerhalb der Lichtbogensäule 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 überwunden.
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Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand der Zeichnung zur Veranschaulichung
im einzelnen beschrieben.
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Fig. 1 stellt die »Umwandlungs«-Stromstärke, d. h. die Stromstärke,
bei der das Abtropfen des Elektrodenmetalls in das Absprühen übergeht, als Funktion
des Caesium-Kalium-Verhältnisses in dem Sprühmittelgemisch graphisch dar; Fig. 2
ist ein typisches Zustandsdiagramm für ein binäres System von Oxyden, wie sie vermutlich
auf der Elektrode nach der Erfindung vorhanden sind; Fig.3 stellt die »Umwandlungs«-Stromstärke
als Funktion der Menge des auf den Draht aufgetragenen Sprühmittels dar; Fig. 4,
5 und 6 veranschaulichen drei von den verschiedenen Formen von Schweißlichtbogen,
die beim Schweißen mit sich verzehrenden Elektroden in Argon als Schutzgas auftreten;
Fig. 7 zeigt die Form des Schweißlichtbogens, die bei den bisher bekannten, mit
sich verbrauchenden Elektroden unter Kohlendioxyd als Schutzgas arbeitenden Schweißverfahren
zu beobachten ist; Fig. 8 zeigt die Form eines Schweißlichtbogens, der beim Schweißen
mit sich verzehrenden Elektroden in Kohlendioxyd als Schutzgas gemäß der Erfindung
entsteht.
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Das bevorzugte Verfahren, das Steuermetall gemäß der Erfindung dem
Bogen zuzuführen, besteht darin, es in bekannter Weise oberflächlich auf eine im
übrigen blanke Drahtelektrode aufzubringen. Diese Auftragung kann dadurch bewerkstelligt
werden, daß man zunächst dieDrahtoberfläche in geeigneterWeise für die Aufnahme
des Mittels vorbereitet und den so vorbehandelten Draht dann durch eine Lösung oder
einen Schlamm des Steuermetalls zieht.
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Viele der geeigneten Sprühmittel sind wasserlöslich, und in dem einfachsten
Fall ist das Bad eine wäßrige Lösung. Selbstverständlich können auch andereLösungsmittel
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 die im Handel erhältlichen Netzmittel. Mit
einer wäßrigen Lösung der Größenordnung 50 bis 150 g der Verbindungen pro Liter
Wasser läßt sich eine befriedigende Verteilung des Sprühmittels auf der Drahtoberfläche
erzielen, wenn man den Draht mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 635 cm pro Minute
durch die Lösung zieht. Selbstverständlich können auch andere gleichwertige Mittel
verwendet werden, um das Sprühmittel auf denElektrodendraht aufzubringen, ohne denRahmen
der Erfindung zu verlassen.
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Die wichtigsteMaßnahme bei derPräparierung des Drahtes ist die Auswahl
des Sprühmittels, das auf den Draht aufgebracht werden soll. In Betracht kommende
Alkalimetalle sind Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium. Die
bevorzugten Verbindungen sind die sauerstoffhaltigen Verbindungen wie z. B. Hydroxyde,
Carbonate und Nitrate. Derartige bevorzugte Verbindungen ergeben erfahrungsgemäß
die erfindungsgemäßen Vorteile schneller und in größerem Umfange als andere Verbindungen.
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Beispiele von Sprühmitteln, die sich unter den Schweißbedingungen
wenig oberhalb der Umwandlungsstromstärke (bei der das Abtropfen in Absprühen übergeht)
gut bewährt haben, sind in Tabelle I wiedergegeben. Die nominale Zusammensetzung
jedes in Tabelle I angegebenen Elektrodendrahtes ist wie folgt:
| Draht A |
| C . . ........ 0,101/0 P ......... 0,0l5 0/0 |
| Mn ........ 0,950/0 S ......... 0,020% |
| Si .......... 0,45 % |
| Draht B |
| C .......... 0,0930/0 P ......... 0,015 0!0 |
| Mn ........ 1,97% S ......... 0,020% |
| Si .......... 0,760/0 |
| Draht C |
| C ... 0,06% P ... 0,0251/o Mo . . 0,41% |
| Mn . . 1,121/o S ... 0,0171/9 Ni 1,24% |
| Si ... 0,36% Cr .. 0,140/0 V .... 0,15% |
In jedem der Beispiele von Tabelle l wurde der Draht vor der Auftragung des Sprühmittels
elektrolytisch gesäubert. Das Sprühmittel wurde dann aufgetragen. In Tabelle I ist
die Anzahl Gramm jeder Verbindung angegeben, die in soviel Wasser aufgelöst wurden,
daß 1 1 Lösung entstand. In jedem Beispiel von Tabelle I wurde ein guter axialer
Sprühübergang in C02 Atmosphäre erzielt, der mit dem in Argon unter Gegenpolung
erzielten Werkstoffübergang vergleichbar war. Bevorzugte Sprühmittel sind Mischungen
von Caesiumcarbonat und Soda, Caesiumearbonat und Pottasche, Caesiumhydroxyd und
Natriumhydroxyd; Caesiumhydroxyd und Kaliumhydroxyd sowie Caesiumnitrat und Natriumnitrat.
Es wird im allgemeinen bevorzugt, sauerstoffhaltige Verbindungen von Caesium im
Gemisch mit einer ähnlichen Verbindung von Natrium oder Kalium zu benutzen. Francium
dürfte nur geringes praktisches Interesse besitzen, da es radioaktiv und außerordentlich
selten und-teuer ist.
| Tabelle I |
| Draht- Bogenspannung Drahtvorschub |
| Beispiel zusammen- Draht- Sprühmittel Strom- in Volt Dsahwindigkeit |
| durchmesser (Gramm Verbindung pro Liter Lösung) dichte (Bogenlänge |
| setzung 3,2 mm) (cm/Min.) |
| 1 A 1,6 40 Cs2 C 03 + 16 K2 C 03 310 33 368 |
| 2 A 1.,6 80 Cs2 C 03 + 40 Na2C 03 285 29,5 317 |
| 3 A 1,6 40 Cs2 C 0s + 20 Na2 C 03 280 30 330 |
| 4 B 1,6 80 Cs2 C 03 + 26 Nag C 03 300 30 368 |
| 5 B 1,6 80 Cs N O3 + 35 Na N 03 310 31 381 |
| 6 A 1,1 40 Cs2 C 03 + 40 Rb2 C 03 205 29 559 |
| 7 A 1,1 40 Cs2 C 03 + 40 Nag C O3 200 28,5 521 |
| 8 A 1,6 40 Cs2 C 03 + 9 Li2C 03 330 33,5 406 |
| 9 C 1,6 40 Cs2 C 03 + 40 Rb2 C 03 300 32 381 |
| 10 A 1,6 40 Cs O H + 11 NaOH 305 31 356 |
| 11 A 1,6 40 Cs O H + 15 K O H 300 31,5 356 |
| 12 A 1,6 40 Cs O H + 14 Nag CO, 305 32 330 |
Anmerkung zu Tabelle I: Alle Schweißungen wurden an einer 12 mm dicken Platte aus
halbberuhigtem Stahl mit einer Schweißgeschwindigkeit von 38 cm pro Minute unter
Verwendung eines stromführenden Elektrodenendteiles von 16 mm durchgeführt. In allen
Fällen wurde Gleichstrom mit negativer Elektrode verwendet, und der Werkstoffübergang
erfolgte durch axiales Absprühen. Das Schutzgas war Kohlendioxyd und wurde mit einer
Geschwindigkeit von 0,7 cbm pro Stunde durch eine 19 mm weite Düse zugeführt.
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Es wurde beobachtet, da.ß sich die Wirkung steigern läßt, wenn die
Verbindungen in bestimmten Mengenverhältnissen gemischt werden. Eine Untersuchung
der beim eingehenden Testen der Erfindung erhaltenen Daten ergab, daß die Stromstärke,
bei der die Umwandlung des Werkstoffübergangs 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 Caesiumatomen
wie an Atomen des anderen Aikalimetalls enthalten sind. Beispielsweise stehen in
einer Mischung von Caesiumcarbonat und Natriumcarbonat oder in einer Mischung von
Caesium-
| Tabelle 1I |
| Umwandlungsstromstärke Umwandlungsstromstärke Umwandlungsstromstärke |
| bei einem Mischungs- bei einem Mischungs- bei einem Mischungs- |
| Zusammensetzung des Sprühmittels verhältnis von 2 Cs-Atomen
verhältnis von 1 Cs-Atom verhältnis von 2 Cs-Atomen |
| auf ein anderes auf ein anderes- auf drei andere |
| Alkaliatom Alkaliatom Alkaliatome |
| Cs, C 03 + Nag C 03 . . . . . . . . . . . . 325 295 305 |
| Cs2 C 03 + Rb2 C 03 . ........... 320 305 - 325 |
| Cs2 C 03 + K2 C 03 . . . . . . . . . . . . . 330 315 350 |
| Cs O H + NaOH .............. 330 305 310 |
| Cs O H + K O H ............... 325 300 345 |
| CsCl + NaCl ............... 350 340 370 |
| Cs O H + Nag C 03 . . . . . . . . . . . . 330 305 315 |
In Fig. 1 ist beispielsweise dargestellt, wie sich die Umwandlungsstromstärke ändert,
wenn man die Atomverhältnisse zwischen dem Caesium und dem anderen Alkalimetall
variiert. In der Figur ist die hydroxyd und Natriumhydroxyd das Caesium und das
Natrium dann in gleichen Atomverhältnissen (so daß also ein Caesiumatom auf jedes
Natriumatom kommt), wenn die Gewichte der Verbindungen in der Mischung in dem gleichen
Verhältnis stehen wie ihre Molekulargewichte. Wenn andererseits eine Mischung von
beispielsweise Caesiumhydroxyd und Natriumcarbonat, also Cs O H und Nag
CO.. verwendet wird, scheint das Minimum der Umwandlungsstromstärke vorzuliegen,
wenn auf die Zahl der Nag C O3- Moleküle die doppelte Anzahl Cs 0 H-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 anderen Alkaliverbindung bezüglich des Gewichtes der Caesiumverbindung derart
variiert wird, daß erstens halb soviel, zweitens ebensoviel und drittens eineinhalbmal
soviel Atome des anderen Alkalimetalls auf die Caesiumatome kommen. Umwandlungsstromstärke
(Umwandlung des Metallüberganges von der Tropfenform in die Sprühform) gegen die
Anzahl Gramm K2C0, pro Liter Lösung aufgetragen; der Caesiumcarbonatgehalt 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 K2 C 03 Gehalt der Lösung zwischen 16 und 20 g pro Liter liegt.
Eine auf die Atomgewichte der Elemente gestützte Berechnung ergibt, daß die gleiche
Anzahl von Caesium und Kaliumatomen vorhanden ist, wenn 40 g Cs2 C 03 und 17 g K2
C 03 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 vorzugsweise die Menge des vorhandenen
Caesiums oberhalb eines Mindestwertes von ungefähr 0,0111/o des Elektrodengewichts
zu halten.
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Es hat sich nach der Erfmdung herausgestellt, daß sich in einer Kohlendioxydatmosphäre
ein Werkstoffübergang in Sprühform erreichen läßt, wenn ein Sprühmittel auf einer
synergistischen Mischung einer Caesiumverbindung und einer Verbindung anderen Alkalimetalls
als Hilfsmittel verwendet wird. Die überraschende synergistische Wirkung der Zusatzgemische
gemäß derErfindung wurde durchVersuche nachgewiesen. Wie diese Versuche zeigten,
sind andere Zusatzmittel als Alkaliverbindungen nicht befähigt, die Wirkung einer
Caesiumverbindung 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 Mg C12, Mg(N 03) 2, Mn(N03)2, Fe(N03)2, Ni(N03)2, SnCl2, BaCl2, Ca C12, La(N
O3)3, Ce2 03 USW. In keinem Fall wurde mit einer dieser Verbindungen ein
sprühförmiger Übergang erzielt, ob diese Verbindungen nun allein oder in Kombination
mit einer Caesiumverbindung verwendet wurden. Ähnliche negative Ergebnisse zeigten
Versuche, bei denen entweder nur Alkaliverbindungen außer Caesium oder Kombinationen
von Alkaliverbindungen mit Alkaliverbindungen außer Caesium verwendet wurden. Beispielsweise
konnte bei Verwendung einer Kombination von Rb2C03 und Nag C 03 bei Stromstärken
bis zu 530 Ampere kein sprühförmiger Übergang erreicht werden. Eine Kombination
von Rb O H und K O H hatte bei einer Stromstärke von ungefähr 370 Ampere einen gewissen
Einfluß auf den Bogen, ein wirklich sprühförmiger Übergang wurde jedoch nicht erzielt.
Fast alle Verbindungen der Alkalien, Erdalkalien und seltenen Erden setzen die Geschwindigkeit
des Elektrodenverbrauches in einem mit C02 geschützten Metallbogen bei gegebener
Stromstärke und negativ gepolterElektrode herab, aber außerCaesium scheint keines
fähig zu sein, in oxydierender Atmosphäre wie Kohlendioxyd einen Werkstoffübergang
in Form axialen Sprühens zu erzeugen. Ferner muß ein anderes Alkalimetall außer
Caesium als Hilfsmetall zusammen mit dem Caesium verwendet werden, um wirklich zufriedenstellende,
technisch brauchbare Ergebnisse zu erzielen.
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Die Versuche haben klar gezeigt, daß Caesium für die Erreichung des
Sprühüberganges in Kohlendioxyd ein wesentliches Element ist. In bestimmten Fällen,
beispielsweise bei einer von desoxydierenden Elementen freien Elektrode aus unberuhigtem
Stahl oder Flußeisen, wird zwar das Absprühen auch durch Caesium allein hervorgerufen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich technisch brauchbare Sprühschweißungen mit
Eisenelektroden nicht erzielen lassen, wenn eine Caesiumverbindung allein verwendet
wird. Es hat sich ferner gezeigt, daß ein Sprühübergang nicht erzielt wird, wenn
nur eine Caesiumverbindung auf den Drähten verwendet wird, die technisch für die
Kohlendioxyd-Schutzgasschweißung verwendet werden. Dies gilt insbesondere für die
hoch desoxydierten Drähte, die zum Schweißen von unberuhigtem und halbberuhigtem
Stahl nötig sind. Vermutlich ist dies auf die Chemie des Drahtes selbst zurückzuführen.
Wenn jedoch die gleiche Caesiumverbindung durch eine andere Alkaliverbindung unterstützt
wird, wie es im vorstehenden beschrieben ist, läßt sich bei jedem geeigneten Schweißdraht,
unabhängig von dessen Legierungszusammensetzung, eine gutes axiales Sprühen erreichen.
Die Ursachen für dieses Verhalten konnten noch nicht geklärt werden; es wird jedoch
vermutet, daß bei einem hohen Gehalt des Drahtes an Elementen, wie Silicium, die
eine Affinität zu Sauerstoff haben, die Bildung oder das Festhalten des Caesiumoxydes
an der geeigneten Stelle auf der Kathode unterdrückt oder vermindert und die Fähigkeit
des Mittels, einen Sprühübergang zu erzeugen, verringert wird. Warum gerade der
Zusatz einer anderen Alkahverbindung dazu beiträgt, die der Erzielung eines Sprühüberganges
in einer Kohlendioxyd-Schutzgasatmosphäre in Gegenwart von viel Silicium entgegenstehenden
Schwierigkeit zu überwinden, ist bisher nicht geklärt, aber das Ergebnis wurde einwandfrei
beobachtet. Silicium ist natürlich nicht das einzige Element in dem Elektrodendraht,
das dem Sprüheffekt von Caesium entgegenwirkt. Aluminium und Titan, die häufig als
desoxydierende Elemente vorhanden sind, üben eine ähnliche, für den Sprühübergang.schädlicheWirkung
aus. Andere desoxydierende oder legierende Elemente in dem Draht besitzen vermutlich
mehr oder weniger ebenfalls eine solche Wirkung. Die Rolle, die desoxydierende Metalle
wie z. B. Silicium spielen, ist jedoch bei weitem die wichtigste, da sie die Wirkung
von Caesium zunichte machen, wenn kein Hilfsmittel zu dem Caesium zugesetzt wird,
um den schädlichen Einfluß des Desoxydationsmittels zu verhindern oder ihm entgegenzuwirken.
Ferner sind solche Desoxydationsmittel meist in beträchtlichen Mengen, (nämlich
über 0,25%) in Eisenelektroden des Typs vorhanden, wie er bei den meisten Schweißungen
von Eisenmetallen verwendet wird.
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Eine mögliche Erklärung dafür, warum die Kombination einer Caesiumverbindung
und einer Verbindung eines anderen Alkalimetalls wirksamer ist als die Caesiumverbindung
allein, kann darin bestehen, daß mit einer solchen Kombination eine eutektische
Mischung oder Lösung von Alkalioxyden gebildet wird, die einen niedrigeren Schmelzpunkt
und einen höheren Siedepunkt besitzt als jede Verbindung allein. Wahrscheinlich
ist es möglich, Mischungen der beiden Alkalioxyde zu erzeugen, die bei einer hinreichend
niedrigen Temperatur schmelzen. Sie verteilen sich dann gleichmäßig über die Elektrodenoberfläche,
wenn die Elektrode sich dem Bogen nähert, so daß eine ringförmige Zone oder Fläche
entsteht, die axial von dem Ende der Elektrode entfernt ist und eine gegenüber dem
äußersten Ende der
Elektrode erhöhte elektrische Emissionsstärke
zeigt. Der auftretende Anstieg der elektrischen Emissionsstärke an oder in dem allgemeinen
Bereich des Anfanges der Elektrodenschmelzzone veranlaßt das Bogenplasma, sich am
Ansatzpunkt auszubreiten und in dem besagten Gebiet an der Elektrode zu haften,
so daß das Plasma das meiste, wenn nicht das gesamte geschmolzene Metall an der
Elektrodenspitze umfaßt. Es entsteht dann eine derartige Verteilung elektrischer
Kräfte, daß das geschmolzene Metall axial von dem Ende der Elektrode über den Bogen
auf das Werkstück geschleudert wird.
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Das Sichausbreiten des Plasmaansatzpunktes, wie es im vorstehenden
beschrieben wurde, tritt vermutlich nur ein, wenn die Emission in der besagten,
von der Elektrodenspitze entfernt liegenden Zone Aeichter« wird oder einen geringeren
Spannungsabfall erfordert als dieEmission in der äußerstenSpitze selbst. Für den
Erfolg der Erfindung scheint es deshalb wesentlich zu sein, daß die das Sprühen
hervorrufende Substanz oder Substanzmischung nicht nur sehr gut emittiert, sondern
auch einen hinreichend niedrigen Schmelzpunkt und einen hinreichend hohen Siede-
oder Verdampfungspunkt besitzt, um ein gleichmäßiges 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 Größenverhältnis stehen oder wenigstens angenähert
gleich sein muß, damit der Plasmaansatzpunkt sich ausbreiten kann.
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Es wird angenommen, daß eine der besonderen Eigenschaften des Caesiums,
nämlich sein außergewöhnlich niedriges Ionisationspotential, zu diesem Ergebnis
beiträgt. Dampf von Caesium aus der. partiellen Dissoziation des Caesiumoxydes auf
der Kathode und/oder Dissoziation von verdampften Caesiumverbindungen in dem Plasma
scheint den Spannungsabfall in dem CO.-Plasma zumindest in dem Plasmabereich an
der besagten Käthodenemissionszone herabzusetzen, was das Aufsteigen des Plasmaansatzpunktes
zu Stellen größeren Emissionsvermögens oder geringeren Kathodenspannungsabfalls
erleichtert. Eine derartige Wirkung auf den Plasmaspannungsabfall ist besonders
bei C02-Schutzgas wichtig, weil der Spannungsabfall in diesem Gas mehrfach größer
ist als derSpannungsabfall inArgon.
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Der Umstand, daß Alkaliverbindungen allgemein, Verbindungen der Erdalkalien
und der seltenen Erden in einer Kohlendioxyd-Schutzgasatmosphäre keinen sprühförmigen
Übergang bewirken, wie er mit ; caesiumhaltigen Mitteln erfindungsgemäß erreicht
werden kann, läßt sich wohl mindestens teilweise auf den relativ hohen Siedepunkt
der Oxyde dieser Metalle zurückführen. Welche Metallverbindung auch immer zugesetzt
wird, im gewissen Umfang -wird selbstverständlich bei den hohen Temperaturen und
den kinetischen Bedingungen des Bogens in Gegenwart des freien, aus der Dissoziation
des C 0.-Schutzgases entstandenen Sauerstoffes das entsprechende Oxyd gebildet werden.
Die Oxyde von Erdalkalien und seltenen Erden haben relativ hohe Siedepunkte und
Dissoziationstemperaturen und können auf dem geschmolzenen 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 anderen Kathodenfläche ändern. Außerdem
emittieren solche anderen Metalloxyde gewöhnlich nicht so gut Elektronen wie Caesium-Cäesiumoxyd,
noch besitzen die ihnen zugrunde liegenden Metalle das extrem niedrige Ionisierungspotentiäl
von Caesium.
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In Fig. 2 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 100'0/ö des einen Oxydes als Grenzwert durch den Gesamtmischungsbereich bis
zu 100% des anderen Oxydes, die Schmelzpunkte in beiden Richtungen fallen, bis sie
beim Eutektikum ein Minimum erreicht haben. Andererseits 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.
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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 0,030/a, der Mischung der zur
Behandlung verwendeten Verbindungen enthält oder trägt. Fig. 3 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 Caesium 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 Gewichtsprozent betragen.
Für die allgemeine Anwendung der Erfindung hat es sich als befriedigend erwiesen,
das caesiumhaltige Sprühmittel in einer Menge aufzutragen, die ungefähr 0,030/ö
des Drahtgewichtes entspricht.
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Einige der Unterschiede zwischen dem mit inertem Gas (Argon) geschützten
Metallbogen und dem mit C02 geschützten Metallbogen können visuell beobachtet werden,
und zwar sowohl mit dem unbewaffneten Auge durch die Schweißbrille als auch durch
Verwendung von Filmaufnahmen extrem hoher Geschwindigkeit. Derartige Unterschiede
sind in ziemlich genauen Einzelheiten in den Fig. 4 bis 8 veranschaulicht. Ferner
sind die sichtbaren Unterschiede zwischen dem mit CO2 geschützten Schweißbogen nach
dem Stande der Technik und dem mit CO, geschützten Sprühbogen gemäß der Erfindung
in den Fig. 7 bzw. 8 veranschaulicht.
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Argongeschützte Metall-Lichtbögen mit negativer Elektrode und ohne
Steuermetalle 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
Kathodenemission, die in einem solchen Bogen vorliegt, einen starken Ionenbeschuß
lokalisierter Kathodenteile voraus, um hinreichend hohe örtliche Temperaturen zu
erzielen und die notwendige Emission zur Unterhaltung des
Bogens
aufrechtzuerhalten. Das Ergebnis ist ein kugelförmiger, spritzender Übergang.
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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 der Plasmaansatzbereich steigt von der Elektrodenspitze an denElektrodenseitenflächen
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. 5 zeigt dieses Phänomen.
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Mit einer richtig aktivierten Elektrode in Argon kann das Kathodenemissionsgebiet
von der in Fig. 5 gezeigten Form auf praktisch die gleiche Konfiguration konzentriert
werden, die sich, wie in Fig. 6 dargestellt, aus der Verwendung von Bögen hoher
Stromdichte mit positiver Elektrode in Argon ergibt.
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Der C02 Bogen hat mit positiver Elektrode andererseits die kugelförmige,
in Fig.7 dargestellte Konfiguration des spritzenden Überganges; das gleiche ist
bei dem C02-Bogen mit negativer Elektrode der Fall. Tatsächlich ist die unregelmäßige
Bogenkonfiguration von Fig. 7 typisch für alle mit C02 als Schutzgas arbeitenden
bisher bekannten Schweißverfahren.
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Fig. 8 zeigt das Bogenplasma und das Phänomen des axialen Sprühüberganges,
das in mit CO, geschützten Bögen mit negativer Elektrode nach dem Verfahren
der Erfindung erreicht wird. Es wird betont, daß die in Fig. 5 dargestellte Bedingung
in den CO.-geschützten Bögen niemals auftritt. Lediglich in dem Verfahren der Erfindung
hat der Bogen die in Fig. 8 dargestellte Form; in allen anderen Fällen ist der mit
CO, geschützte Bogen unregelmäßig und der Materialübergang spritzend, ob
nun mit negativer oder positiver Elektrode gearbeitet wird oder Drähte verwendet
werden, dis mit Mitteln, wie z. B. Verbindungen von Erdalkalien oder seltenen Erden,
behandelt sind.
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Zur Erzielung des Sprühüberganges scheint es wesentlich zu sein, das
Emissionsgebiet der Elektrode kontrollieren zu können. Dies läßt sich in der C02-Atmosphäre
gemäß der Erfindung durch eine besondere Behandlung der Elektrode erzielen. Diese
Kontrolle kann nur dann durchgeführt werden, wenn man mit negativer Elektrode arbeitet.
Zwar wurden die experimentellen Ergebnisse hauptsächlich unter Verwendung von Drähten
auf Eisenbasis erzielt, die Erfindung ist jedoch auch auf andere Drahtmaterialien
anwendbar. Da es ferner aus Versuchsergebnissen bekannt ist, daß Schweißbögen in
CO 2 im Prinzip von Bögen in einatomigen inerten Gasen verschieden sind,
und da ferner angenommen wird, daß das Arbeiten in einer Kohlendioxydatmosphäre
die Entstehung von Metalloxyden begünstigt, kann gefolgert werden, daß die Erfindung
auch auf andere oxydierende Atmosphären als Kohlendioxyd anwendbar ist.
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Im vorstehenden wird dieMischung einerCaesiumverbindung 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 Caesium 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 Caesium
gleich der Zahl der anwesenden Caesiumatome 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 verwandtenTechniken, wie z. B. dem Lichtbogenschneiden, von Nutzen sein wird.