-
Hitzebeständige Elektrode für inertgasgeschütztes Lichtbogenschweißen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hitzebeständige Elektrode, vorzugsweise
Metallelektrode für inertgasgeschütztes Lichtbogenschweißen, bei dem ein Hilfslichtbogen
zwischen einer Hilfselektrode und der Schweißelektrode gezündet wird.
-
Beim Anlassen eines Hilfslichtbogens, wie es ursprünglich der Fall
war, mußte man den Hilfslichtbogen durch Kurzschließen eines Wolframstücks zwischen
der Schweißelektrode und einer Hilfselektrode zünden. Unlängst wurde ein Verfahren
zum Anlassen mit Hilfe eines induktiven Impulses verwendet, bei dem die Induktanz
einer Glättungsdrossel im Hilfslichtbogenkreis einen Impuls von mehreren tausend
Volt erzeugt, was genügt, um den Spalt zwischen der Schweißelektrode und der Hilfs-
oder Hilfslichtbogenelektrode, die den Hilfslichtbogen zur Zündung bringt, zu durchbrechen.
-
Bei der Benutzung eines Schweißbrenners mit direkter Polarität (Elektrode
negativ) enthält die Schweißelektrode für gewöhnlich 1 oder 2 % thoriertes Wolfram.
In einem solchen Fall wird eine zuverlässige Impulszündung erzielt. Wird Aluminium
geschweißt, ist Wechselstrom bevorzugt und eine reine Wolfram-Elektrode einer thorierten
Elektrode vorzuziehen. Dies hat seinen Grund darin, daß letztere eine Vielzahl von
Kugeln am Arbeitsende der Elektrode zu bilden sucht, die den Lichtbogen zu unterbrechen
und unstabil zu machen sucht. Andererseits bieten reine Wolfram-Elektroden diese
unerwünschten Eigenschaften nicht dar, weil am Arbeitsende der Elektrode nur eine
einzige Kugel gebildet wird, was einen stabileren Wechselstromlichtbogen begünstigt.
Unglücklicherweise wird, wenn man den Impulsstart mit reinen Wolfram-Elektroden
versucht, eine genügende Elektrodenemission nicht erzielt; als Folge hiervon ist
ein stabiler Hilfslichtbogen beim Zünden nicht ohne weiteres möglich. Selbst wenn
eine solche Zündung erzielt wird, erlischt der Hilfslichtbogen im allgemeinen nach
wenigen Sekunden bis zur Dauer einer Minute. Obwohl eine neue reine Wolfram-Elektrode
mit scharfen Rändern am stumpfen Ende mit Impulsstart angelassen werden kann, hindert
das durch den Schweißlichtbogen gebildete kugelige Ende nachfolgende Versuche, einen
Hilfslichtbogen zu zünden und aufrechtzuerhalten.
-
Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß, wenn an einer sonst reinen
Wolfram-Elektrode nur ein kleines Ausmaß an Verunreinigung vorhanden ist, der thermionische
Emissionswert offensichtlich genügend hoch gesteigert werden kann, um einen zufriedenstellenden
Impulsstart sowie die Aufrechterhaltung eines stabilen Hilfslichtbogens zu gestatten.
Während des nachfolgendes Schweißvorgangs brennt der Schweißlichtbogen im allgemeinen
eine solche Verunreinigung weg oder zerstreut sie, so daß ein Impulsstart sowie
das Aufrechterhalten eines Hilfslichtbogens erneut sehr unverläßlich werden. Da
jedoch die Menge der Verunreinigung, die zur Erzielung zufriedenstellender Ergebnisse
nötig ist, klein erschien, regte dies an zu versuchen, ob vielleicht mit einem halben
Prozent thorierte Elektroden eine genügende Startemission und gleichwohl eine kugelartige
reine Wolfram-Elektrode gewährleisten. Man fand dabei, daß die Starteigenschaften
im wesentlichen dieselben wie bei reinem Wolfram, d. h. unbefriedigend waren, daß
aber das Ende der Elektrode ebenso wie reines Wolfram eine Kugel bildete.
-
Da Elektroden, die 0,5 % Thoroxyd enthielten, im wesentlichen wie
reines Wolfram wirkten, nämlich ein kugeliges Ende bildeten und keine unerwünschte
Bogenbildung aufwiesen, beeinträchtigte die Gegenwart einer solchen Menge Thoroxyd
in keiner Weise die günstigen Schweißeigenschaften im Vergleich mit einer reinen
Wolfram-Elektrode. Man nahm deshalb an, daß, wenn ein solcher Thoroxyd-Gehalt (0,5
%) in einem speziellen, beschränkten Bereich des Querschnitts konzentriert würde,
wobei dieser thorierte Bereich mindestens einen Abschnitt des sich in Längsrichtung
erstreckenden Oberflächenbereichs der
ganzen Elektrode bildet, der
Thoroxyd-Gehalt für diesen beschränkten Bereich auf einen Wert von 1 bis 2 % erhöht
sein könnte. In der einschlägigen Technik ist allgemein bekannt, daß mit 1 bis 2
% thorierte Wolfram-Elektroden, mit einer über den Querschnitt homogenen Verteilung
von Thoroxyd gute Starteigenschaften aufweisen, da das an der Oberfläche der Elektrode
verfügbare Thoroxyd eine genügende Emission für das Zünden eines Lichtbogens liefert.
Diese günstige Starteigenschaft zeigt sich sowohl beim Hilfslichtbogen- als auch
beim Hochfrequenz-Start.
-
Da nun mindestens ein Teil des Oberflächenbereichs der zusammengesetzten
Elektrode in gleicher Weise im wesentlichen denselben Oberflächengehalt wie die
herkömmliche thorierte Wolfram-Elektrode aufweist, gewährleistet die zusammengesetzte
Elektrode sonach in einem lokalisierten Bereich im wesentlichen denselben hohen
Emissionswert für das Anlassen eines Lichtbogens.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine hitzebeständige Elektrode
für mit Inertgas abgeschirmtes Lichtbogenschweißen geschaffen, bei dem ein Hilfslichtbogen
zwischen einer Hilfselektrode und der hitzebeständigen Elektrode, die eine zusammengesetzte
Stabelektrode aufweist, gezündet wird, deren größerer Teil aus einem im wesentlichen
reinen, hitzebeständigen Metall besteht und deren kleinerer Teil aus einer Mischung
aus hitzebeständigem Metall und einem Emissionsmaterial besteht, mit der Kennzeichnung
der Erfindung, daß das Emissionsmaterial die Form eines Segmentteiles der Elektrode
hat, mit einer äußeren Oberfläche, die sich in der Längsrichtung über mindestens
einen Teil der Länge dieser Elektrode erstreckt.
-
Elektroden dieses zusammengesetzten Aufbaues lieferten verbesserte
Schweißergebnisse und gewährleisteten außerdem die gewünschten Starteigenschaften,
die die ursprüngliche Untersuchung veranlaßten. Diese zusammengesetzten Elektroden
zeigten, wie gefunden wurde, einen Wechselstromwert von mindestens der Höhe wie
eine um 2 % thorierte Wolfram-Elektrode, und zeichneten sich gleichwohl durch Bilden
einer einzigen Schmelzkugel sowie Fehlen der Vielzahl von Kugeln am Ende der Elektrode
aus, was für reine Wolfram-Elektroden charakteristisch ist. Ferner wächst die Kugel,
die sich an der zusammengesetzten Elektrode bildet, mit zunehmendem Strom, verglichen
mit einer reinen Wolfram-Elektrode, wo sich die Kugel nur oberhalb eines gewissen
Stromwertes bildet. Als Folge hiervon sucht die Stromdichte an dem kugelförmigen
Ende der zusammengesetzten Elektrode. innerhalb der Elektrodenbelastbarkeit konstant
zu bleiben. Diese konstante Stromdichte ist die höchste Stromdichte, die das kugelig
geformte Ende ohne Zunahme der Größe aushalten kann. Sonach fehlt, da bei irgendeinem
gegebenen Strom der Bogenbildungsbereich an der Kugel die größte Stromdichte gewährleistet,
eine Lichtbogeninstabilität völlig.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung
ergeben sich aus den beiliegenden Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie
aus der folgenden Beschreibung. Es zeigt F i g. 1 eine Schaltung einer Schweißanlage
gemäß der Erfindung, F i g. 2 einen vergrößerten Querschnitt des Brenners nach der
Linie 2-2 der F i g. 1, F i g. 3 eine vergrößerte Teilansicht des Seitenaufrisses
einer zusammengesetzten Elektrode, und F i g. 4 einen Querschnitt der zusammengesetzten
Elektrode nach der Linie 4-4 der F i g. 3.
-
Wie F i g. 1 zeigt, ist eine Hauptelektrode 10 elektrisch mit einer
Seite einer Schweißkraftquelle 12 verbunden, deren andere Seite elektrisch mit dem
Werkstück 14 verbunden ist, um einen Schweißlichtbogen zwischen. dem Ende dieser.Elektrode
10 und dem Werkstück 14 während des Schweißvorgangs zu erregen. Eine Hilfslichtbogenquelle
16 liegt elektrisch an der Elektrode 10 und einer geneigten Hilfselektrode 18, um
einen Hilfslichtbogen zwischen dem Ende dieser Hilfselektrode 18 und der
Hauptelektrode 10 zu erregen. Ein RC-Kreis mit einem Kondensator
20 und einem Widerstand 22 liegt zwischen der Hilfselektrode 18 und dem Werkstück
14. Die Elektroden 10 und 18 sind in einer Kappe oder Düse 24 des
Schweißbrenners angeordnet, durch die hindurch ein zweckentsprechendes Abschirmgas,
wie z. B. Argon, in der Richtung des Werkstücks 14 fließt, um den Lichtbogenschweißvorgang
gegen Verunreinigung durch die umgebende Luft zu schützen.
-
F i g. 2 zeigt, daß die Haupt- oder Schweißelektrode 10 ein zusammengesetzter
länglicher Stab aus reinem Wolfram und thoriertem Wolfram ist und einen Sockel
28 bildet, der reines Wolfram ist, sowie ein seitliches Segment 26 aus thoriertem
Wolfram, das sich über die ganze Länge der Elektrode erstreckt.
-
Wie die F i g. 3 und 4 zeigen, ist Thoroxyd oder ein anderes Emissionsmaterial
kein Oberflächenüberzug, der sich leicht zerstreuen läßt, sondern vielmehr ein seitliches
Segment 38 aus an Thoroxyd reichem Wolfram, (das sich über die Länge der Elektrode
erstreckt) und das noch in einer gewissen Tiefe im Wolfram-Grundkörper 40 auftritt.
Diese Maßnahme gründet sich auf der Meiming, daß es keinen bekannten Fall gibt.
wo der Thoroxyd-Gehalt einer thorierten Schweißelektrode während ihrer normalen
Lebenserwartung jemals durch eine Bogenbildung bis zu einem Punkt verbrannt wird,
wo eine wirksame Emission praktisch nicht mehr gegeben war. Sonach wird jeglicher
Oberflächenverlust an Thoroxyd langsam durch Diffusion des Thoroxyds zur Oberfläche
der Elektrode ersetzt.
-
Metallographische Untersuchungen zeigen, daß der genaue Vorgang die
Reduktion von Thoroxyd innerhalb der Elektrode zu Thorium-Metall mit sich bringt,
das eine beträchtlich höhere Beweglichkeit für eine Diffusion zur Oberfläche der
Elektrode besitzt. Das Oberflächen-Thorium wird dann durch den Umgebungssauerstoff
zu Thoroxyd reoxydiert, das, wie wohl bekannt ist, eine schwächere Austrittsarbeit
als Thorium hat. Das Phänomen erklärt, warum thorierte Elektroden (die für gewöhnlich
ausgezeichnete Zündeigenschaften aufweisen) bei einem Neustart versagen können,
wenn sie auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden, falls sie in einer im wesentlichen
reinen inerten Atmosphäre bewahrt bleiben. Bei Entfernen der Schutzatmosphäre für
eine Zeitspanne (z. B. nur mehrere Sekunden) kann sich jedoch eine Elektrode bei
Umgebungstemperatur reaktivieren.
-
Der Diffusions- und Umwandlungsprozeß Thoroxyd - Thorium - Thoroxyd
scheint bei einer normalen thorierten Wolfram-Elektrode ein sich selbst regelnder
Prozeß zu sein. Wenn jedoch überreichlich Thoroxyd als Überzug vorhanden ist, kann
es als
Folge eines Oberflächenphänomens rasch verzehrt werden. Ein
solcher Verlust an Oberflächenemissionsmaterialien ist wahrscheinlich einer kathodischen
Zerstäubung zuzuschreiben.
-
Die in F i g. 4 veranschaulichte zusammengesetzte Elektrode wurde
dadurch erzeugt, daß man von einem zusammengesetzten Elektrodenblock ausging. Dieser
Block wurde dann eingeschnürt und gezogen.
-
Die hauptsächlichen Vorteile der Erfindung werden beim Wechselstromlichtbogenschweißen
verwirklicht, wo eine reine Wolfram-Elektroden-Eigenschaft gewünscht wird zusammen
mit einem besseren positiven Start als gewöhnlich und einer höheren Strombelastbarkeit
als gewöhnlich, und zwar dank des bei der neuen Elektrode vorgesehenen Segments.
-
Das Emissionsmaterial des Segments kann in einer Menge bis zu 2 Gewichtsprozent
vorhanden sein, und dieses Material ist vorzugsweise Barium, Thorium, Zirkon, Zäsium,
Lithium, Lanthan, Strontium, Kalium oder Yttrium. Außerdem kann der Elektrodengrundkörper
auch aus einem anderen zweckentsprechenden hitzebeständigen Metall, wie z. B. Molybdän
oder Gemischen desselben, bestehen.