DE2421377A1 - Nicht abschmelzende elektrode fuer bogenprozesse und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Nicht abschmelzende elektrode fuer bogenprozesse und verfahren zu deren herstellung

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Description

Dlpl.-Ing. Dr Jr-Λ
Frank Arnold Nix
Patentanwalt
δ Frankfurt am Main 70 λ>οίοΤΤ
Gartenstraße 123 2 4 2 I 3 / /
HlGHT ABSCmJLZSMUE ELEKTRODE FÜR BOGEKEBOZESSE TJHD "VERFAHESiT ZU DEEElT HEfiSTELLUNG '
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Plasmabearbeitung elektrisch leitender Werkstoffe und insbesondere auf eine nicht abschmelzende Elektrode fur Bogenprozesse und auf ein Verfahren zu deren Herstellung·
Die nicht abschmelzende Elektrode der vorgeschlagenen Konstruktion kann für Plasmaschweißung* -auftragschwelßung und -bogenschwelßungtIm. Schutzmedlum beliebiger Metalle.verwendet werden*
Es sind nicht abschmelzende Elektroden für Bogenprozesse bekannt, die in der Art eines Wolframstabs ausgeführt sind, in welche zwecks Verbesserung ihrer Arbelt bei der Herstellung In
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Wolframstab gleichmäßig verteilte Legierungszusätze, etwa Lanthanoxyd, Yttriumoxyd, Thoriumoxyd in verschiedenen Kombinationen eingeführt werden·
Ein Nachteil der angegebenen nicht abschmelzenden iiloktroden besteht darm, daß im Laufe des Brennvorgangs des Bogens aus der Oberflächenschicht der nicht abschmelzenden Elektrode, die im Kontakt mit dem der Elektrode anliegenden Bogenbereich liegt, sich die Legierungszusätze allmählich verflüchtigen, dabei wird der Warmefluß dementsprechend vergrößert, so daß man gezwungen 1st, um eine Zerstörung der nicht abschmelzenden Elektrode infolge einer Wärmeüberlastung zu vermelden, die nicht abschmelzende Elektrode periodisch nachzuscharfen· Dieser Nach·? . teil führt bei einer Massenanwendung der nicht abschmelzenden Elektroden größere Unkosten und ArbeitszeitVerluste herbei.
Ein anderer !fachteIl der bekannten nicht abschmelzenden Elektroden besteht darm, daß je nach der Verflüchtigung der Legierungszusätze von der Oberflächenschicht der nicht abschmelzenden Elektrode die Bogenbrennstabilltät herabgesetzt wird, wodurch die Schweißgüte verschlechtert wird·
Außerdem ist bei den in den angegebenen nicht abschmelzenden Elektroden verwendeten Legierungszusätzen wie i-anthanoxyd, Yttriunioxyd, iDhoriuinoxyd einzeln oder in verschiedenen Kombinationen sfahon der anfängliche WärmeflujJ ausreichend hoch, so daß beim Betrieb mit größeren Stromstärken eine Zwangskühlung erforderlich ist·
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Bei der Herstellung der nicht abschmelzenden Elektroden mit Legierungszusätzen werddn zwei. Hauptverfahren angewendet: eine Wolframverschmelzung mit entsprechenden Legierungszusätzen bei . einer Temperatur nicht unter dem Wolframschmelzpunkt oder eine WolframpulverSinterung mit Pulvern der Legierungszusätze bei einer Temperatur unter dem Wolframschmelzpunkt·
Ein Kachteil des Verfahrens der Wo1framverSchmelzung mit Legierungszusätzen zwecks Herstellung der nicht abschmelzenden Elektrode besteht darm, daß es unmöglich ist, Wolframlegletungen mit leichtflüchtigen Legierungszusätzen, zum Beispiel mit Barlumoxyd und Kalziumoxyd zu-gewinnen, so daß man keine nicht abschmelzende Elektroden mit niedrigeren Wärmeflüssen Im Vergleich zu den nicht abschmelzenden Elektroden mit Legierungszusätzen in der Art von Lanthanoxyd, Tttriümoxyd und Thorlumoxyd herstellen kann·
Em Kachtell des "Verfahrens zur Herstellung der nicht' abschmelzenden Elektroden durch Sinterung besteht darin, daß die nach diesem Verfahren hergestellten nicht abschmelzenden Elektroden eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu den nicht abschmelzenden Elektroden aufweisen, die auf dem Verschmelzungswege hergestellt worden sind.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Beseitigung der oben angegebenen Nachteile· Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nicht ab-
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schmelzende Klektrode und ein Verfahren zu deren Herstellung zu entwickeln, die einen stabilen Dauerbetrieb der Elektrode ohne Änderung der Bogenbrennart ermöglichen.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer nicht abschmelzenden Elektrode fiir Bogenprozesse, die in der Art eines hochschmelzenden Stabs mit Legierungszusätzen ausgeführt ist, erflndungsgemaLl im Körper des hochschmelzenden Stabs in der Nähe seiner Arbeltsstirnfläche und im wesentlichen syi&- - metrisch zu seiner Achse ein geschlossener Hohlraum ausgeführt ist, in welchem die Legierungszusätze untergebracht sind, dabei ist der geschlossene Hohlraum m einem solchen Abstand von der Arbeltsstirnfläche angeordnet, daß eine kontinuierliche Diffusion der Legierungszusätze aus dem geschlossenen Hohlraum auf die Arbeltsstirnfläche beim brennenden Bogen gewährleistet ist.
Es ist zweckmäßig, als Stoff des hochschmelzenden Stabs Wolfram und als Legierungszusätze Oxyde aus der Reihe von Lanthan!-* den, Aktinlden, Alkall-, Erdalkallmetallen, Elementen der III· Gruppe und der IV* Gruppe des periodischen Systems der Elemente in verschiedenen Kombinationen zu verwenden·
Im Verfahren zur Herstellung der nicht abschmelzenden Elektrode ist es zweckmäßig» im hochschmelzenden Stab der Elektrode seitens der Arbeitsstirnfläche der Elektrode m deren Zentraltell eine blinde Bohrung herzustellen, einen I'eil dieser mit Legie-
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rungszusätzen zu füllen, dann den restlichen fell der Bohrung mit einer Mischung aus dem hochschmelzenden Stoff mit Legierungszusätzen zu füllen, wonach die Oberflächenschicht verschmolzen wird, bis ein geschlossener Hohlraum entsteht.
Der geschlossene Hohlraum mit Legierungszusätzen in der Nahe der Arbeltsstirnfläche sichert eine kontinuierliche Diffusion der Legierungszusätze auf die Arbeitsstirnfläche der nicht abschmelzenden Elektrode, so daß eine Stabilität der Eigenschaften des elektrischen Lichtbogens im Laufe des gesamten Betriebs erzielt wird.
Ein anderer Vorteil der vorgeschlagenen nicht abschmelzenden Elektrode besteht in einer Herabsetzung des WärmefluQses auf die nicht abschmelzende Elektrode durch die Verwendung als Legierungszusätze zum Beispiel des Barium- und des Kalzlumoxyds, die die niedrigsten Arbeitswerte der Elektronenansbeute im Vergleich zu den Legierungszusätzen aufweisen, in welchen man Yttriumoxyd, Thoriumoxyd und Lanthanoxyd verwendet.
Außerdem ist bei der Verwendung der vorliegenden Konstruktion der nicht abschmelzenden Elektrode die Möglichkeit entstanden, beliebige Legierungszusätze unabhängig von deren wärmephysikalischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften, insbesondere von Dampfdruck, Schmelz- und Siedepunkt zu verwenden, während in bekannten Konstruktionen man nur solche Leglerungs-· zusätze verwenden kann, die mit Wolfram verschmolzen sein können·
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Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung der nicht abschmelzenden Elektrode bestehen in einer höheren Arbeitsproduktivität mit einer minimalen Abfallmenge bei der Produktion der nicht abschmelzenden Elektroden und hauptsächlich darm, daß die hergestellte nicht abschmelzende KIe ktrode
erford ert,
kein Einarbeiten ν weil an der Arbeltsstirnfläche Legierungszusätze schon vorhanden sind. Das vorgeschlagene Verfahren läßt sich leicht automatisieren, was' die notwendige Bedingung einer Massenproduktion von nicht abschmelzenden Llektroden darstellt·
Des weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausfuhrungsbeispiels mit Bezugnahme auf beigelegte Zeichnungen erläutert, . welche zeigen:
Flg. 1 - nicht abschmelzende Elektrode}
Flg. 2 - nicht abschmelzende Elektrode, eingebaut in ein Plasma-(Plasmabrenner)
tr onv umgekehrter Polarität;
Flg. 3 - nicht abschmelzende Elektrode, eingebaut Inseln Plasmatron direkter Polarität;
FIg · 4·, 5ι 6 - Arbeltsfolge bei der Verwirklichung des Verfahrens zur Herstellung der nicht abschmelzenden Elektroden·
Während der Entwicklungsarbeiten wurde festgestellt, daß die Ursache einer Zerstörung nicht abschmelzender Elektroden btl einem Dauerbetrieb eine ständige Verarmung der Arbeltsstirnfläche der nicht abschmelzenden Elektrode an Legierungszusätzeji
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ist, was ursprünglich eine gesteigerte BewegISlchlteitl des der Elektrode anliegenden Bogenabschnlttes herbeiführt (an perlpheren Abschnitten der Arbeltsstirnfläche bleiben die Legierungszusätze langer erhalten) und dann, je nach einer schneider
len Verarmung' peripher en Abschnitte der Arbeitsstirnfläche
der nicht abschmelzenden Elektrode an " Legierungszusätzen eine Intensive Zerstörung der nicht abschmelzenden Elektrode selbst beginnt.
Auf diese Welse besteht das Hauptproblem bei der Herstellung der nicht abschmelzenden Elektroden In einer Erhöhung der Betriebsdauer bei gesteigerten Stromstärken durch eine kontinuierliche Zufuhr der Legierungszusätze je nach deren Verflüchtigung von der Oberflächenschicht der nicht abschmelzenden Elektrode.
Die vorgeschlagene nicht abschmelzende Elektrode (Flg. 1) enthält einen hochschmelzönden Stab 1, in der Kähe dessen Arbeltsstirnfläche 2 ungefähr symmetrisch zu seiner Achse ein Hohlraum 55 ausgeführt ist, in welchem Legierungszusätze 4 untergebracht werden. Der geschlossene Hohlraum 3 mit den Legierungszusätzen 4 ist in einem solchen Abstand von der Arbeltsstirnfläche 2 angeordnet, bei welchem eine kontinuierliche Diffusion der Legierungszusätze 4 aus dem geschlossenen Hohlraum 3 auf die Arbeitsstirnfläche 2 gesichert ist. Die Form des geschlossenen Hohlraums 3 und dessen Dimensionen können geändert werden, wodurch man die pausenlose Betriebsdauer der nicht abschmelzenden Elektrode ändern kann.
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Die vorgeschlagene.,nicht abschmelzende Elektrode kann in Plasmatronen umgekehrter Polarität (Flg. 2) verwendet werden· In diesem Felle 1st der hochschmelzende Stab 1 mit dem Hohlraum 3j der eilt den Legierungszusätzen 4 gefüllt ist, im Inneren eines gekühlten Halters 5 bündig damit untergebracht und an den Pluspol einer Speisequelle angeschlossen·
Beim Betrieb ordnet sich der der Elektrode anliegende Bogenabschnltt nahe dem Zentrum der Ar be its stirnfläche 2 der nicht abschmelzenden Elektrode an, weil infolge des Vorhandenseins der Legierungszusätze an dieser Stelle der i/ert des Spannungsabfalls im Elektrodengebiet minimal 1st.
Während der Bogen brennt, finden folgende Prozesse statt: von der Oberflächenschicht der Arbeltsstirnfläche 2 der nicht abschmelzenden Elektrode verflüchtigen sich die Legierungszusätze Infolge lin|ier Temperaturen· Dem zufolge entsteht ein Gradient der Konzentration der Legierungszusätze zwischen der Arbeltsstirnfläche und einer Fläche, die dem Hohlraum 3 anliegt, in
• der
welchem die Legierungszusätze 4 untergebracht sind. Unter "Wirkung des Gradienten der Konzentration beginnt eine Diffusion der Legierungszusätze 4 auf die Arbeitsstirnfläche 2 aus dem Hohlraum 3· Je größer dabei der Bogenstrom ist, desto größer sind die Geschwindigkeit der Verflüchtigung der Legierungszusätze, der Gradient der Konzentration und die Geschwindigkeit der Diffusion der Legierungszüs.ätze aus dem Hohlraum 3· All das gewährleistet ein automatisches Aufrechterhalten einer konstanten Zu-
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saaiEiensotzung der Legierungszusätze auf der ürbeitsstirnflache 2 der nicht abschmelzenden Elektrode und deren stabilen Betrieb»
Beim Einbau der nicht abschmelzenden Elektrode In ein Plasmatron mit direkter Polarität (i'lg· 3) wird der hochschmelzende Stab 1 im Halter 6 derart befestigt, daß wenigstens ein Teil des hochschmelzenden Stabs 1 mit dem Hohlraum 3 und der .Arbeltsstirnfläche 2 aus dem Bereich des Haltens 6 herausragt, der an den Minuspol einer (nicht eingezeichneten) Speisequelle angeschlossen -ist.
Solch eine Befestigung der nicht abschmelzenden Elektrode trägt der Tatsache Hechnung, das bei der direkten Polarität der Wartneflu3 in der Elektrode um das 4-6faehe kleiner, als bei der umgekehrten Polarität 1st, was bei der. verwendeten Halterung ermöglicht, die. Intensität der Kühlung zu vermindern und beim Betrieb mit Strömen bis 200 Λ überhaupt ohne Zviangskühlung auszukommen· Alle sonstigen Prozesse beim Bogenbrennen erfolgen ähnlich den Prozessen beim Bogenbrennen in einem Plasmatron mit der umgekehrten Polarität.
Beim Betrieb der nicht abschmelzenden Elektrode haben wir als Stoff für den hochschmelzenden Stab Wolfram und als Legierungszusätze Zerium-, Zirkonium-, Yttrium-, Barium- und Kalziumoxyd verwendet. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn als Legierungszusatz beim Betrieb mit der umgekehrten Polarität Yttriumoxyd (Y2O^) und als Stoff für den hochschmelzenden Stab Wolfram und beim Betrieb mit der direkten Polarität als Legle-
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rungszusatz Bariunoxyd (BaO) beim hochschine !senden otcb aus Wolf ram verwendet worden sind·
Das Verfahren cur Herstellung der vorgeschlagenen nicht abschmelzenden Elektrode bestellt im f ojg enden·
KaxL nimmt ein Halbzeug 7 Ci1Ig* 4·) dos hochschme!zünden Stabs aus Wolf ram. und bohrt mit einem Diamantbohrer eine bllnae Bohrung 8 von einer Tiefe aus, die ungefähr dem Durchmesser des hochschmeIzenden Stabs entspricht und von einem Durchmesser von etwa 1/4 des Durchmessers des hochschmelzenden Stabs. In die blinde Bohrung 8 schüttet man pulverfÖroiige Legierungszusätze, zum Beisolei Barlumoxyd (BaO) oder Yttriumoxyd (Y2O-O ein. Dann setzt man das xialbzeug 7 des hochschmelzenden Stabs aus Wolfram mit Legierungszusätzen in ejine Stützmatrize 9 (Fig· 5) einer Hydraulikpresse und preßt unter Druck eines Stempels 10, der In einer Begrenzungsmatrize 11 angeordnet ist, das Pulver aus Legierungszusätzen solange zusammen, bis es ein Volumen von etwa 3/5 der Tiefe äer biin&an Bohrung 8 οlniiicirrit„
Dann schüttet man in die gebliebene Vertiefung eine IX-sohung aus Wolframpulver mit 2 Gew«% Pulver aus Leglerungc·ausätzen ein· Die lulschung wird wieder derart zu3amaengepre.3t, äaa nach dem Zusammenpressen das zusammengepreßte Stäbchen auo dorn Bereich der ilrbeltsstirnflache 2 der nicht abschmelzenden iL'lektüode etwa um 1/10 der Tiefe der blinden Bohrung 8 herausragte Dann wird das erhaltene Halbzeug m einem Untersatz 12 Lintel7 einen herkömmlichen irgonbogenbrenner derart untergebracht, das
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der Abstand der Elektrode 13 des jirgonbogenbrenners vom Vorsprung des zusammengepreßten Stäbchens etwa 1-3 mm beträgt. Danach zündet man den Bogen^ stellt eine Stromstärke von 10 A bis 150 A in Abhängigkeit vom Durchmesser des hochschmelzenden Stabs ein und wartet von 0,5 bis 5 sek ab. Dann schaltet raan den Bogen aus und bläst die nicht abschmelzende Elektrode noch im. l'jaufe von 1 bis 5 sek· mit Argon ab, damit keine Oxydation erfolgt·
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Claims (2)

  1. \ 1.JkIGhU abschmelzende Elektrode für BogenJ>roeesse, ausgeführt in der Art eines hochschmelzenden Stabs mit Legierungszusätzen, dadurch gekennzeichnet ,daß im
    Körper des hochschmelzonden Stabs (1) in der Imhe seiner Arbeltsstirnfläche (2) und Im wesentlichen symmetrisch zu seiner Achse ein geschlossener Hohlraum (3) ausgeführt ist, in welchem Legierungszusätze (4·) untergebracht sind, dabei ist der geschlossene Hohlraum O) in einem solchen Abstand von der Stirnfläche (2) angeordnet, daß eine kontinuierliche Diffusion der Legierungszusätze (4) aus dem geschlossenen Hohlraum (3) auf die Arbeltsstirnfläche (2) beim brennenden Bogen gewährleistet ist.
  2. 2. riicht abschmelzende Elektrode nach Anspruch 1, d a durch gekennzeichnet ,daß der Stoff des
    hochschmelzenden Stabs (1) Wolfram ist und als Legierungszusätze (4) Oxyde aus der Eelhe von Lanthaniden, Aktinlden, Alkali- und Erdalkalimetallen, Elementen der III. und der 17. Gruppe des periodischen Systems der Elemente einzeln bzw. in verschiedenen Kombinationen gewählt srmd.
    3- Verfahren zur Herstellung einer nicht abschmelzenden Elektrode nach Ansprüchen 1, 2, dadurch gekennzeichnet ,daß im hochschmelzenden Stab ,der Elektrode seitens der Arbeitsstirnfläche der Elektrode in deren Zentralteil elder ne blinde Bohrung ausgeführt wird, von * ein Teil mit Leglerungs-
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    2A21377
    zusätzen gefüllt wird, dann wird der restliche Teil der Bohrung nlt einer Lilschung aus den hochschmelzenden ütabstoff mit Legier ungsziisätzen gefüllt, w/onach die Cberflebhencchicht geschmolzen wird, bis ein geschlossener -Hohlraum entsteht·
    S098A5/0641
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