DE2755213C2 - Nichtabschmelzende Elektrode und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Elektroden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I sowie auf Verfahren zu ihrer Herstellung.

Zum Lichtbogenschweißen unter Schutzgas, insbesondere beim WIG- bzw. TIG-Schweißen und beim Plasma-Schweißen werden zumeist Elektroden verwendet, die ganz oder überwiegend aus Wolfram bestehen. Als sonstiger hochwarmfester Elektrodenwerkstoff kommt auch Rhenium oder Hafnium infrage. Um die Elektronenemissionsfähigkeit des Wolframs und damit die Zündwilligkeit der Elektrode zu erhöhen, ist es bekannt, dem Wolfram Zusätze wie Thorium, Zirkon. Lanthan, Rhenium, Caesium, Barium und/oder deren Oxide, vorzugsweise aber Thoriumdioxid, zuzusetzen. Es muß jedoch verhindert werden, daß solche Zusätze an die Mantelfläche des Elektrodenschaftes gelangen, wet! sie dann auch Zündungen des Lichtbogens vom Mantel aus begünstigen und dadurch die Einsatzmöglichkeit der Elektrode einschränken.

Um Zündungen des Lichtbogens vom Schaft der Elektrode aus entgegenzuwirken, ist es aus der DE-OS 31 558 bekannt, eine Elektrode aus Reinwolfram an der Spitze durch Elektroerosion auszuhöhlen und in der Höhlung einen Stopfen aus einem zündwilligen Material einzubetten und durch Schmelzsintern zu verfestigen. In der DE-OS 23 31 558 sind zugleich auch die Nachteile dieses Verfahrens angesprochen, denn durch das Schmelzsintern des Stopfens gelingt es nicht, diesen hinreichend fest mit dem Wolframkörper der Elektrode zu verbinden. Der Stopfen wird in der Höhlung im wesentlichen rein mechanisch durch eine gewisse Verzahnung mit der rauhen, erosiv erzeugten Wand der Höhlung gehalten. Bei den häufigen und starken Temperaturwechseln, die beim abwechselnden Zünden und Brennen des Lichtbogens und beim Erkalten nach der Lichtbogenlöschung auftreten, wird der mechanische Verbund zwischen dem Stopfen und dem

ίο Wolframkörper der Elektrode gelockert und schließlich ganz aufgehoben, so daß der Stopfen aus der Höhlung herausfallen kann. Um dies zu verhindern, ist in der DE-OS 23 31 558 vorgeschlagen worden, die Höhlung hinten weiter als vorn auszubilden, sie zu hinterschneiden; jedoch erreicht man auch hierdurch keine hinreichende Betriebssicherheit bzw. Lebensdauer der Elektrode.

Die aus der DE-OS 23 31 558 bekannte Elektrode vermeidet zwar vom Schaft ausgehende Zündungen des Lichtbogens, erkauft dies jedoch mit den Nachteilen eines außerordentlich aufwendigen Herstellverfahrens und einer mangelhaften Betriebssicherheit bzw. Lebensdauer der Elektrode. Außerdem kann der Spitzenwinkel der Elektrode nicht nach Belieben geformt werden.

Aus W. Wuich »Grundlagen und Anwendung des Schutzgasschweißens«, Werkstatt und Betrieb 102, 1969, Heft8, S. 575, 576 ist eine Wolframelektrode bekannt, in welcher Thorium streifenförmig eingelagert ist. Diese sogenannte Streifenelektrode darf an der

JO Spitze nicht nachbearbeitet, z. B. nach Gebrauch angespitzt werden, weil dadurch die Lage der Streifen zur Außenseite der Elektrode verändert wird und unerwünschte seitliche Lichtbogen auftreten können.

Aus der DE-OS 24 37 776 ist eine nichtabschmelzende Elektrode bekannt geworden, die aus Wolfram oder einer Wolframlegierung besteht und einen vorzugsweise galvanisch aufgebrachten Überzug aus Silber oder Kupfer aufweist. Ein solcher Überzug könnte verhindern, daß Zündungen auch vom Elektrodenschaft ausgehen, wenn er beständig war/·. Wegen der relativ niedrigen Schmelzpunkte von Kupfer (1083⁰C) und Silber (960⁰C) ist jedoch während des Schweißens mit einem Abschmelzen des Kupfer- bzw. Silbermantels zu rechnen. Dazu trägt auch bei, daß der Kern der Elektrode homogen ist, so daß die Lichtbogenfußpunkte auch in unmittelbarer Nachbarschaft des niedrig schmelzenden Mantels brennen werden. Im Verlauf des Schweißens wird sich also der Rand des Mantels von der Spitze zurück verlagern und die Zündungen werden

so nicht nur von der Spitze aus erfolgen, sondern auch vom Schaft aus.

Demgegenüber ist aus der US-PS 32 31332 eine nichtabschmelzende Elektrode bekannt, deren Kern auf voller Länge aus thoriertem Wolfram und deren Mantel aus reinem Wolfram besteht und deshalb nicht abschmilzt. Doch wird durch die Verteilung des Thoriumoxids über die ganze Länge der Elektrode ein Teil des sehr teueren Thoriums unnütz vergeudet. Außerdem ist die pulvermetallurgische Herstellung einer solchen Elektrode schwierig, weil verhindert werden muß, daß das emissionsfördernde Thoriumoxid auf die Manteloberfläche gelangt.

Diesen letzten Nachteil versucht ein in der AT-PS 2 37 401 beschriebenes Verfahren zur Herstellung von thorierten Wolframelektroden zu vermeiden, indem man das mit Thorium angereicherte Wolframpulver in einen Schlauch füllt, diesen mit Wolframpulver umgibt und die so geschichteten Pulver preßt und sintert, wobei

der Schlauch verdampft; jedoch ist die Handhabung und Zentrierung eines solchen Schlauches vor allem bei geringen Querschnitten nicht einfach, wohingegen bei großen Querschnitten nach dem Sintern durch mechanische Verformung eine erhebliche Querschnittsreduktion erforderlich ist, um auf übliche Elektrodenmaße zu kommen. Die mechanische Verformung eines so harten Werkstoffs wie Wolfram ist aber schwierig.

In der Literaturstelle Smithells, Colin J., »Tungsten«, 3. Auflage London 1952, S. 115—117, ist über die Schweißbarkeit von Wolfram berichtet, doch hat dies bei der Herstellung nichtabschmelzender Elektroden bislang keine Berücksichtigung erfahren.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Elektrode der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Elektronenemission fördernden Zusätze nur im Bereich der Elektrodenspitze enthält, einfacher herzustellen ist als die vergleichbaren bekannten Elektroden, eine lange Lebensdauer besitzt und deren Spitzenwinkel schon bei der Herstellung nach Belieben geformt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Elektrode mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen.

Die Schäfte und Spitzen der Elektroden können nach üblichen pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt werden; die Verschweißung von Spitze und Schaft kann maschinell erfolgen. Durch das Verschweißen wird ein sicherer Verbund zwischen der Spitze und dem Schaft erreicht, wodurch eine lange Lebensdauer gewährleistet wird. Wenn man an beiden Enden des Schaftes eine Spitze vorsieht, ist der Nutzwert der Elektrode besonders hoch. Es ist ferner ausgeschlossen, daß vom Schaft der Elektrode Lichtbogenzündungen ausgehen, weil sich das elektronenemissionsfördernde Material nur im Bereich der Spitze befindet. Hieran ändert sich auch nichts, wenn die Elektrodenspitze umgeformt oder nachgeschliffen wird. Außerdem kann der Spitzenwinkel schon bei der Herstellung nach Belieben geforrm werden. Dadurch erübrigt sich das für Präzisionsaufgaben beim Anwender erforderliche exakte Anspitzen mit Spezialmasc-hinen.

Bei der erfindungsgemäßen Elektrode besteht der Schaft vorzugsweise aus Wolfram, währerd die Spitze vorzugsweise aus Wolfram mit Zusätzen zur Erhöhung der Elektronenemission, bevorzugt Thoriumdioxid (ThO₂), besteht.

Bei auf der ganzen Länge thoriei ten Elektroden hält man wegen der zunehmenden Versprödung durch das beigemengte Oxid, wegen des hohen Preises der Thoriumverbindungen und der durch die Radioaktivität des Thoriums bedingten Schwierigkeiten dessen Anteil gering, nämlich im allgemeinen unter 2%, in seltenen Fällen bis höchstens 4% ThOj. Da bei der erfindungsgemäßen Elektrode das dotierte Material auf die Spitze beschränkt wird, können zusätzlich seltene und daher meist sehr teure Stoffe eingebaut werden, die das Elektronenemissionsvermögen und damit die Zündfreudigkeit weiter erhöhen. Die zur Herstellung der Spitzen erforderlichen geringeren Materialchargen ermöglichen modifizierte Dotierungsverfahren, die auch bei Einlagerung größerer Prozentsätze von Dotierungsstoffen, z.B. mit Vorteil bis zu 10% ThOj, noch günstige Werkstoffeigenschaften gewähren.

Die Herstellung der neuen Elektrode kann erfindungsgemäß dadurch geschehen, daß zunächst der Schaft und die Spitze getrennt auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt werden, der Schaft z. B. durch Pressen von Wolframpulver zu einem Stab, der anschließend gesintert, auf den gewünschten Durchmesser gebracht und in Abschnitte unterteilt wird, und die Spitze z. B. durch Pressen einer Mischung aus Wolframpulver und Thoriumdioxidpulver zu einem Stab, der anschließend gesintert, vjf den gewünschten Durchmesser gebracht und in Abschüire unterteilt wird. Danach wird die Spitze gegebenenfalls durch Warmverformung in die erforderliche Form wie z. B. Kegel, Kegel mit balliger Spitze, ballige Form oder Kugelkalorte gebracht. Die fertig geformte Spitze wird danach durch Elektronenstrahlschweißen mit dem Schaft verbunden.

Statt durch Elektronenstrahlschweißen können die Spitze und der Schaft auch durch eiue Lichtbogen-Impulsschweißung mit unmittelbar darauffolgender Anwendung von kurzzeitigem, hohem Druck miteinander verbunden werden.

Es hat sich gezeigt, daß sich bei Anwendung dieser Schweißverfahren ein fester Verbund zwischen der Spitze und dem Schaft erzielen läßt, der während des Betriebs der Elektrode nicht gelöst wird.

Ein an der Nahtstelle zwischen Schaft und Spitze evtl. entstehender Schweißgrat läßt sich bei runden Elektroden mit Vorteil durch spitzenloses Rundschleifen entfernen. Durch spitzenloses Rundschleifen kann man d.i Elektroden zugleich auf ihr vorgeschriebenes Fertigmaß bringen und ihrem Mantel die für einen guten Strom- und Wärmeübergang zur gekühlten, stromführenden Spannhülse erforderliche Oberflächengüte geben.

Die Zeichnung zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Elektrode in der Seitenansicht. Der Schaft 1 der Elektrode besteht aus Wolfram, während die Spitze 2 in Gestalt eines Kegels mit balliger Spitze aus Wolfram mit Zusätzen eines elektronenemissionsfördernden Stoffes besteht.

Hierzu 1 Blatt Zcichuuijgen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Nichtabschmelzende Elektrode aus hochwarmfestem Werkstoff, insbesondere Wolfram, zum Lichtbogenschweißen unter Schutzgas, deren Spitze Zusätze zur Erhöhung der Elektronenemission enthält und deren Schaft von solchen Zusätzen frei ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (2) an den Schaft (1) angeschweißt ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (2) Thoriumdioxid (ThOi) enthält.

3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze 0,2— 1OGew.-°/o Thoriumdioxid (ThO₂) enthält.

4. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft und die Spitze getrennt auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt, die Spitze ggfs. durch Warmverformung nachverformt wird und durch Elektronenstrahlschweißen der Schaft uiid die Spitze miteinander verbunden werden.

5. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft und die Spitze getrennt auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt, die Spitze ggfs. durch Wan π verformung nachverformt wird und der Schaft und die Spitze durch eine Lichtbogen-Impulsschweißung mit unmittelbar darauffolgender Anwendung von kurzzeitigem, hohem Druck miteinander verbunden werden.

6. Verfahren zur Herstellung von runden Elektroden nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden nach dem Verschweißen von Schaft und Spitze rundgeschliff. η werden.