-
Nichtabschmelzende Schutzgaslichtbogen-Schweißelektrode mit verjüngtem
Lichtbogenende Die Erfindung betrifft eine nichtabschmelzende, negativ gepolte Gleichstromlichtbogen-Schweißelektrode
runden Querschnitts zum kontinuierlichen Stumpfschweißen dünner Bleche unter Schutzgas
ohne Schweiß- oder Flußmittel, mit einem Lichtbogenende kleineren Durchmessers als
der Elektrodenschaft.
-
Zur kontinuierlichen Verschweißung dünner, zu einem Schlitzrohr verformter
Bleche durch elektrische Gleichstromlichtbogenschweißung, bei der das Schlitzrohr
die Gegenelektrode bildet, werden vielfach nichtabschmelzende, zylinderförmige Elektroden
verwendet. Durchweg erfolgt hierbei die Verschweißung unter Schutzgas, um den Zutritt
von Luftsauerstoff zur Schmelze zu verhindern. Die Elektrode ist dann zentrisch
innerhalb einer der Schutzgasführung dienenden Düse angeordnet, die den Schutzgasschleier
auf die Schmelze leitet.
-
Meist genügt die Standzeit solcher Elektroden nicht den zu stellenden
Ansprüchen, die durch die Abzugsgeschwindigkeit des Schlitzrohres und die durch
die zur Erzielung einer einwandfreien Schweißnaht erforderliche Strombelastung gegeben
sind. Der Durchmesser der Elektrode darf nicht zu groß sein, um ein Wandern des
Lichtbogens am unteren Elektrodenende und eine dadurch verursachte unregelmäßige
und schlechte Schweißnaht zu verhindern. Die Folge ist, daß meistens die Elektrode
sich bereits nach kurzer Zeit zufolge der verhältnismäßig hohen Strom- und Wärmebelastung
verbiegt und dadurch unbrauchbar wird.
-
Eine weitere große Schwierigkeit ergibt sich daraus, daß sich meistens
bereits nach kurzer Zeit am Umfang der Elektrode in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens
ein sogenannter Bart ansetzt, der durch Kondensation im Lichtbogen verdampfter Metallteilchen
entsteht. Meistens wird die Elektrode nämlich, um ein schnelles Verbiegen durch
die hohe Strombelastung zu verhüten, unnötig dick gemacht. Die Folge ist, daß die
Elektrode bereits dicht oberhalb des Lichtbogens durch die gute Wärmeableitung nach
oben über den dicken Elektrodenschaft so kalt ist, daß sich die im Lichtbogen verdampften
Metallteilchen durch Kondensation an der Elektrode niederschlagen. Dieser Vorgang
geht verhältnismäßig schnell vor sich; der sogenannte Bart wächst zusehends und
krümmt sich nach unten zum Lichtbogen hin, wodurch Teilchen des Bartes im Lichtbogen
versprühen. Der Lichtbogen wird dadurch unstabil, er wandert hin und her und springt
teilweise auf den Bart über, wodurch die Herstellung einer sauberen Schweißnaht
unmöglich wird. Aus obigen Erläuterungen ist zu folgern, daß die Elektrode. oberhalb
des Lichtbogens und in seiner unmittelbaren Nähe so dünn sein muß, daß die Wärmeableitung
nach oben nicht so schnell vonstatten geht, andererseits aber wiederum nicht so
dünn sein darf, daß sie sich unter dem Einfluß der Wärmebelastung verbiegt oder
gar versprüht.
-
Man hat zur Umgehung dieser Schwierigkeiten versucht, die Elektrode
am unteren Ende spitz zu formen, um einmal den Lichtbogen möglichst zu konzentrieren,
andererseits aber eine nicht zu schnelle Wärmeableitung nach oben zu haben. Diese
Maßnahme führte nicht zum gewünschten Erfolg, weil die untere Spitze der Elektrode
zufolge der hohen Wärmebelastung abbrannte, wodurch die gleichen Erscheinung, wie
oben beschrieben, in verstärktem Umfang auftraten.
-
Eine andere Möglichkeit schien darin zu liegen, das untere Ende der
Elektrode abzurunden. Es ergab sich aber, daß dann der Lichtbogen auf dem abgerundeten
Ende hin und her wanderte, wodurch sich eine unsaubere Schweißnaht ergab.
-
Es wurde auch bereits versucht, die Elektrode nach unten hin stufenförmig
abzusetzen. Es zeigte sich aber, daß an dem durch die Stufe am Umfang der Elektrode
gebildete Ring sich sehr schnell ein Bart ansetzte, dadurch, daß an dieser Stelle
eine plötzliche, verhältnismäßig starke Abkühlung der Elektrode eintrat.
-
Elektroden mit einem Kegelstumpf als Lichtbogenende führten ebenfalls
nicht zu dem gewünschten Erfolg.
-
Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, die sich aus den obigen
Darlegungen ergibt, daß nämlich die Elektrode einerseits so stabil, d. h. so dick
am unteren Ende sein muß, daß sie sich unter der
Wärmebelastung
nicht verbiegt, andererseits aber wieder so dünn sein muß, daß die Wärmeableitung
nach oben nicht zu schnell vonstatten geht.
-
Die Erfindung besteht danach darin, daß der Durchmesser des zylindrischen
Schaftes in einem Kegel mit etwa 20° Spitzenwinkel auf ein dünneres zylindrisches
Ende übergeht, dessen Durchmesser so bemessen ist, daß der Kathodenfleck die Stirnfläche
des Elektrodenendes ganz oder doch nahezu ganz ausfüllt, damit der Lichtbogen ruhig
brennt, und dessen Länge so bemessen ist, daß die Temperatur des zylindrischen Ansatzes
niedriger als die Schmelztemperatur des Elektrodenwerkstoffes, aber höher als die
Siedetemperatur der Schweiße ist, damit sich kein Schweißgut auf der Elektrode niederschlagen
kann.
-
Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß das
Verhältnis des Durchmessers des zylindrischen Ansatzes zu seiner Länge und zum Schaftdurchmesser
gleich oder doch annähernd gleich 1: 2,5 ist.
-
In der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Elektrode dargestellt. Der Elektrodenschaft nimmt zum Ende der Elektrode hin allmählich
über den Konus d auf einen kleineren zylindrischen Durchmesser a ab, wobei das untere
Ende der Elektrode eine ebene Kreisfläche bildet.
-
Bekanntlich herrschen im Kern des Lichtbogens außerordentlich hohe
Temperaturen, die einen Zerfall der Gasmoleküle des aus der Schmelze kommenden Metalldampfes
in Ion und Elektron zur Folge haben. Die erfindungsgemäße Elektrode ist negativ
gepolt, die positive Gegenelektrode bildet das Schlitzrohr. Das negativ geladene
Elektron wandert also auf das Schlitzrohr und gibt dort seine Energie ab, wodurch
eine erwünschte Erhöhung der Schmelzwärme erreicht wird. Das positiv geladene Ion
wandert nach oben zur Elektrode hin aus dem Lichtbogen heraus, reißt irgendwo aus
der Elektrode ein Elektron heraus und bildet mit diesem zusammen ein neues Gasmolekül.
Wäre nun die Elektrode dicht oberhalb des Lichtbogens durch falsche Formgebung bereits
genügend abgekühlt, so würde dieses Gasmolekül an der Elektrode kondensieren und
zu der oben beschriebenen Bartbildung führen.
-
Durch die Erfindung ist sichergestellt, daß die nach obiger Erläuterung
außerhalb des Lichtbogens sich neubildenden Gasmoleküle an der Elektrode nicht kondensieren
können. Das Ansetzen etwa doch kondensierender Gasmoleküle wird zusätzlich bei der
erfindungsgemäßen Ausführung der Elektrode noch dadurch verhindert, daß durch den
schlanken Elektrodenkonus der Schutzgasstrom innerhalb der Düse, in der die Elektrode
in bekannter Weise konzentrisch angeordnet ist, stetig und ohne Wirbelbildung an
der Elektrode entlang nach unten geführt wird. Hierdurch werden etwa kondensierende
Gasmoleküle durch den Schutzgasstrom von der Elektrode gewissermaßen weggerissen
und können sich nicht an der Elektrode setzen.
-
Die Erfindung sei beispielsweise an Hand eines in der Praxis einwandfrei
arbeitenden Schweißverfahrens erläutert. Das Material des zu verschweißenden Schlitzrohres
hat eine Siedetemperatur von 2700° C, das Elektrodenmaterial hat einen Schmelzpunkt
von 3400° C. Die Elektrodenabmessungen wurden nun in Abhängigkeit von der erforderlichen
Schweißstromdichte und der dadurch gegebenen Wärmebelastung so gewählt, daß die
Temperatur des unteren Elektrodenendes kleiner als 3400° C, aber größer als 2700°
C ist. Es steht also für das untere Elektrodenende c nur ein Temperaturbereich von
etwa 700° C zur Verfügung, innerhalb dessen die Temperatur des Elektrodenendes schwanken
darf. Im gewählten Ausführungsbeispiel wurde dies dadurch erzwungen, daß das Verhältnis
a : c = a : b = 1: 2,5 gewählt wurde, wobei die Spitze des Konus d einen Winkel
von a = 20° bildet. Die untere Kreisplatte der Elektrode war dabei von dem Kathodenfleck
fast völlig ausgefüllt, wodurch nicht nur eine sehr gute und gleichmäßige Wärmebelastung
des unteren Elektrodenendes erreicht wurde, sondern auch das so unerwünschte Wandern
oder Springen des Lichtbogens verhindert war. Der Lichtbogen brannte vollkommen
ruhig und gleichmäßig.
-
Voraussetzung bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Elektrode
ist, daß der übergang vom Elektrodenschaft zum Konus und vom Konus zum unteren Elektrodenende
gleichmäßig, d. h. ohne Rillen und Vorsprünge, verläuft. Insbesondere auch nur schwache
Rillen an den übergangssteilen führen zu Querschnittsschwächungen, die den erwünschten
allmählichen und gleichmäßigen Wärmeabfluß nach oben stören.