DE2421377B2

DE2421377B2 - Nicht abschmelzende elektrode fuer bogenprozesse und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2421377B2
Application number: DE19742421377
Authority: DE
Inventors: David Grigoriewitsch; Sobolew Wyacheslaw Georgiewitsch; Leningrad Bykhovsky (Sowjetunion)
Priority date: 1978-09-15
Filing date: 1974-05-03
Publication date: 1977-02-24
Also published as: FR2270048B1; FR2270048A1; GB1446507A; DE2421377A1; US4229873A

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Plasmabearbeitung elektrisch leitender Werkstoffe und insbesondere auf eine nicht abschmelzende Elektrode für Bogenprozesse und auf ein Verfahren zu deren Herstellung.

Die nicht abschmelzende Elektrode der vorgeschlagenen Konstruktion kann für das Plasmaschweißen und das Schutzgas-Lichtbogenschweißen von Metallen verwendet werden.

Es sind nicht abschmelzende Elektroden für Bogenprozesse bekannt, die als Wolframstab ausgeführt sind, der gleichmäßig verteilte Legierungszusälze (etwa Lanthanoxyd, Yttriumoxyd, Thoriumoxyd) in verschiedenen Kombinationen enthält.

Ein Nachteil der angegebenen nicht abschmelzenden Elektroden besteht darin, daß sich im Laufe der Zeit die Legierungszusätze aus der Licht- bzw. Plasmabogen-Ansatzfläche allmählich verflüchtigen.

Bei der Herstellung der nicht abschmelzenden Elektroden mit Legierungszusätzen werden zwei Hauptverfahren angewendet: eine Wolframverschmelzung mit entsprechenden Legierungszusätzen bei einer Temperatur über dem Wolframschmelzpunkt oder eine Wolframpulversinterung mit Pulvern der Legierungszusätze bei einer Temperatur unter dem Wolframschmelzpunkt.

Ein Nachteil des Verfahrens der Wolframverschmelzung mit Legierungszusätzen besteht darin, daß es unmöglich ist, Wolframlegierungen mit leichtflüchtigen Legierungszusätzen (z. B. mit Bariumoxyd und Kalziumoxyd) zu gewinnen. .

Ein Nachteil des Sinterverfahrens besteht dann, daß die Elektroden eine niedrigere thermische und elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu den nicht abschmelzenden Elektroden aufweisen, die durch Schmelzen hergestellt worden sind.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Beseitigung der oben angegebenen Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nicht abschmelzende Elektrode und ein Verfahren zu deren Herstellung zu entwickeln, die einen stabilen Dauerbetrieb der Elektrode ohne Änderung der Bogenbrennweise ermöglichen.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer nicht abschmelzenden Elektrode für Bogenprozesse aus einem hochschmelzenden Stab mit Legierungszusätzen erfindungsgemäß im Körper des hochschmelzenden Stabs in der Nähe seiner Arbeitsstirnfläche und im wesentlichen symmetrisch zu seiner Achse ein geschlossener Hohlraum ausgeführt ist. in dem die Legierungszusätze untergebracht sind, und daß der geschlossene Hohlraum in einem solchen Abstand von der Arbeitsstirnfläche angeordnet ist, dali eine kontinuierliche Diffusion der Legierungszusätze aus dem geschlossenen Hohlraum auf die Arbeitsstirnfläche beim brennenden Biogen gewährleistet ist.

Es ist zweckmäßig, als Stoff des hochschmelzenden Stabs Wolfram und als Legierungszusätze Oxyde aus der Reihe der Lanihaniden. Aktiniden, Alkali-, Erdalkalimetalle, Elemente der III. Gruppe und der IV. Gruppe des periodischen Systems der Elemente einzeln oder in verschiedenen Kombinationen zu verwenden.

Im Verfahren zur Herstellung der nicht abschmelzenden Elektrode ist es zweckmäßig, im hochschmelzenden Stab der Elektrode von der Mitte der Arbeitsstirnfläche her eine blinde Bohrung einzuführen und die Bohrung teilweise mit Legierungszusätzen zu füllen, worauf der restliche Teil der Bohrung mit einer Mischung aus dem hochschmelzenden Stoff des Stabs mit Legierungszusätzen aufgefüllt wird und endlich die Oberflächenschicht geschmolzen wird, bis ein geschlossener Hohlraum entsteht.

Der geschlossene, mit Legierungszusätzen gefüllte Hohlraum in der Nähe der Arbeitsstirnfläche sichert eine kontinuierliche Diffusion der Legierungszusätze auf die Arbeitsstiirnfläche der nicht abschmelzenden Elektrode, so daß eine Stabilität der Eigenschaften des elektrischen Bogens im Laufe des gesamten Betriebs erzielt wird.

Ein anderer Vorteil der vorgeschlagenen nicht abschmelzenden Elektrode besteht in einer Herabsetzung der Wärmebelastung der nicht abschmelzenden Elektrode durch die Verwendung von Legierungszusätzen wie z. B. des Barium- und des Kalziumoxyds, die die niedrigste Elektronenaustrittsarbeit im Vergleich zu den Legierungszusätzen aufweisen, in welchen man Yttriumoxyd, Thoriumoxyd und Lanthanoxyd verwendet.

Außerdem ist durch die erfindungsgemäße Elektrode die Möglichkeit entstanden, beliebige Legierungszusätze unabhängig von deren wärmephysikalischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften (insbesondere von Dampfdruck, Schmelz- und Siedepunkt) zu verwenden, während man in bekannten Konstruktionen nur solche Legierungszusätze verwenden kann, die mit Wolfram verschmolzen werden können.

Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung der nicht abschmelzenden Elektrode bestehen in einer höheren Arbeitsproduktivität mit einer minimalen AbfallmerTe und weiter darin, daß die Elektrode kein Einlaufen erfordert, weil an der Arbeitsstirnfläche Legierungszusätze schon vorhanden sind. Das vorgeschlagene Verfahren läßt sich leicht automatisieren, was die notwendige Bedingung einer Massenproduktion von nicht abschmelzenden Elektroden darstellt

Des weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert Es zeigt

F i g. 1 Längsschnitt der nicht abschmelzenden Elektrode nach der Erfindung;

F i g. 2 nicht abschmelzende Elektrode, eingebaut in einen Plasmabrenner umgekehrter Polarität;

F i g. 3 nicht abschmelzende Elektrode, eingebaut in einen Plasmabrenner direkter Polarität;

Fig.4, 5, 6 Arbeitsfolge bei Herstellung der nicht abschmelzenden Elektroden.

Während der Entwicklungsarbeiten wurde festgestellt, daß die Ursache einer Zerstörung nicht abschmelzender Elektroden bei einem Dauerbetrieb eine ständige Verarmung der Arbeitsstirnfläche der nicht abschmelzenden Elektrode an Legierungszusätzen ist, was zunächst Wanderungen des Bogenansatzfleckes zur Folge hat (an peripheren Abschnitten der Arbeitsstirnfläche bleiben die Legierungszusätze langer erhalten) und dann mit zunehmender Verarmung auch der peripheren Abschnitte der Arbeitsstirnfläche an Legierungszusätzen zu einer intensiven Zerstörung der Elektrode selbst führt.

Auf diese Weise ergibt sich die Aufgabe, die Betriebsdauer auch bei gesteigerten Stromstärken durch einen kontinuierlichen Nachschub der Legierungszusätze je nach deren Verflüchtigung von der Oberflächenschicht der nicht abschmelzenden Elektrode zu erhöhen.

Die erfindungsgemäße Elektrode (Fig. 1) enthält einen hochschmelzenden Stab 1, in der Nähe dessen Arbeitsstirnfläche 2 ungefähr symmetrisch zu seiner Achse ein Hohlraum 3 ausgeführt ist, in welchem Legierungszusätze 4 untergebracht werden. Der geschlossene Hohlraum 3 mit den Legierungszusätzen 4 ist in einem solchen Abstand von der Arbeitrstirnfläche 2 angeordnet, dali eine kontinuierliche Diffusion der Legierungszusätze 4 aus dem geschlossenen Hohlraum 3 auf die Arbeitsstirnfläche 2 gesichert ist. Die Form des geschlossenen Hohlraums 3 und ciessen Dimensionen können geändert werden, wodurch man die Betriebsdauer der Elektrode ändern kann.

Die Elektrode kann in Plasmabrennern (Piasmatronen) umgekehrter Polarität (F i g. 2) verwendet werden. In diesem Falle ist der hochschmelzende Stab 1 mit dem Hohlraum 3, der mit den Legierungszusätzen 4 gefüllt ist, im Inneren eines gekühlten Halters 5 bündig untergebracht und an den Pluspol einer Speisequelle angeschlossen.

Beim Betrieb hält sich der Bogenansatzpunkt nahe dem Zentrum der Arbeitsstirnfläche 2, weil infolge der Legierungszusätze an dieser Stelle der Spannungsabfall im Elektrodengebiet minimal ist.

Während der Bogen brennt, finden folgende Prozesse statt: Von der Oberflächenschicht der Arbeitsstirnfläche 2 verflüchtigen sich die Legierungszusätze infolge hoher Temperaturen. Demzufolge entsteht ein Gradient der Konzentration der Legierungszusätze zwischen der Arbeitsstirnflache und einer Fläche, die dem Hohlraum 3 anliegt, in welchem die Legierungszusätze 4 untergebracht sind. Unter der 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 Geschwindigkeiten der Verflüchtigung der Legierungszusätze, der Gradient der Konzentration und die Geschwindigkeit der Diffusion der Legierungszusätze aus dem Hohlraum 3. Alles das gewährleistet ein automatisches Aufrechterhalten einer konstanten Zusammensetzung der Legierungszusätze auf der Arbeitsstirnfläche 2 der nicht abschmelzenden Elektrode und deren stabilen Betrieb.

Beim Einbau der Elektrode in ein Plasmatron mit direkter Polarität (Fig.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 Arbeitsstirnfläche 2 aus dem Bereich des Halters 6 herausragt, der an den Minuspol einer (nicht eingezeichneten) Speisequelle angeschlossen ist.

Solch eine Befestigung der nicht abschmelzenden Elektrode trägt der Tatsache Rechnung, daß bei direkter Polarität die Wärmeentwicklung in der Elektrode um das 4- bis 6-fache kleiner als bei umgekehrter Polarität ist, was ermöglicht, die Kühlung der Halterung zu vermindern und beim Betrieb mit Strömen bis 200 A überhaupt ohne Zwangskühlung auszukommen. Alle sonstigen Prozesse beim Bogenbrennen erfolgen ähnlich den Prozessen beim Bogenbrennen in einem Plasmatron mit umgekehrter 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 Stoff für den hochschmelzenden Stab Wolfram und als Legierungszusatz beim Betrieb mit umgekehrter Polarität Yttriumoxyd (Y₂O₃), beim Betrieb mit direkter Polarität Bariumoxyd (BaO) verwendet worden sind.

Das Verfahren zur Herstellung der vorgeschlagenen nicht abschmelzenden Elektrode besteht im folgenden:

Man nimmt ein Halbzeug 7 (F i g. 4) des hochschmelzenden Stabs aus Wolfram und bohrt mit einem Diamantbohrer eine blinde Bohrung 8 von einer Tiefe, die ungefähr dem Durchmesser des hochschmelzenden Stabs entspricht, und von einem Durchmesser von etwa ¹A des Durchmessers des hochschmelzenden Stabs. In die blinde Bohrung 8 schüttet man pulverförmige Legierungszusätze, z. B. Bariumoxyd (BaO) oder Yttriumoxyd (Y2O3), ein. Dann setzt man das Halbzeug 7 des hochschmelzenden Stabs aus Wolfram mit Legierungszusätzen in eine Stützmatrize 9 (Fig.5) einer Hydraulikpresse und preßt unter Druck eines Stempeis 10, der in einer Begrenzungsmatrize 11 angeordnet ist, das Pulver aus Legierungszusätzen so lange zusammen, bis es ein Volumen von etwa ³/s der Tiefe der blinden Bohrung 8 einnimmt.

Dann schüttet man in die gebliebene Vertiefung eine ivlischung aus Wolframpulver mit 2 Gew.% Pulver aus Legierungszusätzen ein. Die Mischung wird wieder derart zusammengepreßt, daß nach dem Zusammenpressen das zusammengepreßte Stäbchen aus dem Bereich der Arbeitsstirnfläche 2 etwa um '/io der Tiefe der blinden Bohrung 8 herausragt. Dann wird das erhaltene Halbzeug in einem Untersatz 12 unter einem herkömmlichen Argonbogenbrenner derart angebracht,

daß der Abstand der Elektrode 13 des Argonbogenbrenners vom Vorsprung des zusammengepreßten Stäbchens etwa 1—3 mm beträgt. Danach zündet man den Bogen, stellt eine Stromstärke von 10 A bis 150 A je nach Durchmesser des hochschmelzenden Stabs ein und wartet 0,5 bis 5 s ab. Dann schaltet man den Bogen aus und bläst die nicht abschmelzende Elektrode noch 1 bis 5 s mit Argon ab, damit keine Oxydation erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nicht abschmelzende Elektrode für Bogenprozesse aus einem hochschmelzenden Stab mit Legierungszusätzen, dadurch gekennzeichnet, daß im Körper des hochschmelzenden Stabs (1) in der Nähe seiner Arbeitsstirnfläche (2) und im wesentlichen symmetrisch zu seiner Achse ein geschlossener Hohlraum (3) ausgeführt ist, in dem Legierungszusätze (4) untergebracht sind, und daß der geschlossene Hohlraum (3) in einem solchen Abstand von der Stirnfläche (2) angeordnet ist, daß eine kontinuierliche Diffusion der Legierungszusätze (4) aus dem geschlossenen Hohlraum (3) cuf die Arbeiisstirnfläche (2) beim brennenden Bogen gewährleistet ist

2. Nicht abschmelzende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff des hochschmelzenden Stabs (!) Wolfram ist und daß als zo Legierungszusätze (4) Oxyde aus der Reihe der Lanthaniden, Aktiniden, Alkali- und Erdalkalimetalle, Elemente der III. und der IV.Gruppe des periodischen Systems der Elemente einzeln oder in verschiedenen Kombinationen gewählt sind.

3. Verfahren zur Herstellung einer nicht abschmelzenden Elektrode nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im hochschmelzenden Stab der Elektrode von der Mitte der Arbeitsstirnfläche her eine blinde Bohrung eingeführt wird, daß die Bohrung teilweise mit Legierungszusätzen gefüllt wird, daß darauf der restliche Teil der Bohrung mit einer Mischung aus dem hochschmelzenden Stabstoff mit Legierungszusätzen aufgefüllt wird, und daß endlich die Oberflächenschicht geschmolzen wird, bis ein geschlossener Hohlraum entsteht.