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Elektrode für die Lichtbogenschweißung in einem inerten Gas und Verfahren
zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf die Lichtbogenschweißung mit
einem inerten Gas, insbesondere auf eine unverbrauchbare Elektrode für eine Lichtbogenschweißtnig
mit einem inerten Gas und auf das Verfahren zur Herstellung derartiger Elektroden.
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Häutig wird Wolfram, das in geeigneter Form, z. 13. als Stab, verarbeitet
wurde, als Elektrode für Lichtbogcnschweil.#ung verwendet, wenn inerte Gase, wie
z. 13. Argon und Helium, benutzt werden. Zur Erzeugung eines stabilen Lichtbogens
oder eines Lichtbogens, der sticht über das Ende der Elektrode tnrd aii den Seiten
der Elektrode hinaufwandert, wird die Elektrode bei solchen Temperaturen betrieben,
daß die Elektrode glühend wird. Bei diesen Temperaturen, die am oder nahe 'am Siedepunkt
von Wolfram liegen, wird der Lichtbogenstrom in der Hauptsache durch thermionische
Emission aus der Elektrode geliefert. Die hohen Temperaturen führen zu einem Verlust
von Metall aus der Elektrode durch Verdampfung und verkürzen damit ihre Lebensdauer.
Die Notwendigkeit, eine glühende Elektrode zu erhalten, um einen stabilen Lichtbogen
aufrechtzuerhalten, bestimmt auch den Strom, der bei einer Elektrode mit einem bestimmten
Durchmesser verwendet werden kann. Eine Elektrode, die für einen gegebenen Strom
zu stark ist, wird nicht glühend werden und keinen stabilen Lichtbogen aufrechterhalten,
und eine Elektrode mit einem zu kleinen Durchmesser für
den Ström
wird zu schnell verdampfen. Da ein stabiler Lichtbogen unter diesen Verhältnissen
von der Ausbildung eines thermionischen Kathodenflecks abhängt, ist eine Zündung
durch einen Hochfrequenzfunken unsicher und schwierig. Dies gilt auch, wenn der
Lichtbogen in der Weise gezündet wird, daß man die Elektrode in direkte Berührung
mit dem Werkstück auf einem Lichtbogenzündma.terial, wie z. B. Kohle, bringt, das
elektrisch mit dem Werkstück verbunden ist und von welchem der Lichtbogen zu der
Schweißarbeit übergeführt wird. Ferner wandern, nachdem sie einmal ausgebildet sind,
der Kathodenfleck und der Lichtbogen über die Oberfläche der Elektrodenspitze und
an den Seiten der Elektrode hinauf, wodurch der Lichtbogen zum Erlöschen gebracht,
eine unsichere, mangelhafte und unterbrochene Schweißeng verursacht und das Schweißgerät
beschädigt wird. Diese Unstabilität des Lichtbogens war bei automatischer Lichtbogenschweißung
und besonders dann störend, wenn Gleichstrom bei negativer Elektrode benutzt wird.
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Die Erfindung bezweckt, ein Gerät für Lichtbogenschweißung mit inertem
Gas zu schaffen, bei dem eine Elektrode Verwendung findet, die die sofortige Zündung
eines stabilen Bogens bei niedrigen Strömen gestattet.
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Weiterhin bezweckt die Erfindung, eine Elektrode für Lichtbogenschweißung
mit inertem Gas zu schaffen, die sofort zündet bei niedrigen Generatorspannungen
im offenen Stromkreis.
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Die Erfindung bezweckt weiterhin, eine unverbrauchbare Elektrode für
Lichtbogenschweißung mit inertem Gas zu schaffen, die bei Nichtglühtemperaturen
arbeitet.
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Ferner bezweckt die Erfindung, eine sofort zündende und stabile Elektrode
aus Wolfram und Zirkoniumoxyd für Lichtbogenschweißung mit inertem Gas zu schaffen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung, die einen
Brenner für Lichtbogenschweißung mit inertemGas und einer Elektrode gemäß der Erfindung
im Schnitt darstellt.
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Gemäß der Erfindung wird Zirkoniumoxyd in Verbindung mit der Wolframlichtbogenelektrode
verwendet, um die sofortige Zündung des Bogens hervorzubringen, wenn ein Hochfrequenzfunken
erzeugt wird, oder wenn die Elektrode an das Werkstück herangeführt und wieder zurückgezogen
wird, und ferner, um einen gleichmäßig brennenden Lichtbogen zu erhalten, bei dem
der Kathodenfleck an der Spitze der Elektrode verbleibt und nicht an ihren Seiten
hinaufwandert. Bei Verwendung von Zirkoniumoxyd ist die für die Zündung des Bogens
erforderliche Spannung des Schweißgenerators im offenen Stromkreis sehr niedrig,
nämlich ungefähr 4o V Gleichspannung im Vergleich zu ungefähr t 9o V Gleichspannung,
wenn Wolfram allein al-Elektrodenmaterial verwendet wird. Diese Eigenart der hier
beschriebenen Elektroden gestattet die Verwendung von kleineren Schweißgeneratoren,
als sie sonst benötigt würden. Die sofortige Zündung und die Aufrechterhaltung eines
stabilen Lichtbogens haben stetige, gleichförmige Schweißengen ohne Unregelmäßigkeiten
zur Folge.
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Dagegen ist, wenn Wolfram allein benutzt wird, und sogar mit einer
aufgedrückten Zündspannung von tgo V oder einer annähernd fünfmal so großen Spannung
als bei Verwendung von Zirkoniumoxyd, die Ausbildung des Lichtbogens langsam und
unsicher. Der Lichtbogen hat, selbst nachdem er gezündet ist, eine Neigung zur Unstabilität,
und der Kathodenfleck wandert um die Lichtbogen-oder Ansatzspitze und an den Seiten
der Elektrode hinauf und sogar von der Elektrode weg auf andere Metallteile des
Schweißbrenners, wodurch dieser beschädigt und der Lichtbogen zum häufigen Erlösehen
gebracht wird. Der Lichtbogen muß oft an der Elektrodenspitze wiederhergestellt
werden, wobei jedoch der Kathodenfleck wieder wandert und schließlich erlischt.
Dieses regellose Verhalten des Lichtbogens ist bei jeder Lichtbogenschweißung lästig
und besonders bei automatischer Lichtbogenschweißung, bei welcher die Bewegung des
Brenners oft mit dem Anlegen des Hochfrequenzzündfunkens begonnen wird. Die langsame
und ungleichmäßige Ausbildung des Lichtbogens bei Verwendung einer Wolframelektrode
hat einen freien oder ungeschweißten Bereich auf dem zu schweißenden Werkstück zur
Folge. Nachdem der Kathodenfleck einmal ausgebildet ist, hat sein Wandern eine unregelmäßige
und wellige Schweißeng zur Folge, die eine mangelhafte Bindefähigkeit besitzt. Wenn
der Bogen an der Seite der Elektrode hinaufwandert, kann nicht nur das die Elektrode
haltende Futter und die Düse verbrannt und beschädigt werden, sondern der Lichtbogen
neigt, nachdem er zu lang ausgezogen wurde, zum Erlöschen. Dadurch bleibt eine weiter.:
ungeschweißte Lücke auf dem Werkstück, bis der Kathodenfleck und der Lichtbogen
durch einen Hochfrequenzfunken wiederhergestellt werden. Die Notwendigkeit zur häufigen
Anwendung des Hochfrequenzfunkens für die Wiederzündung des Bogens führt auch zu
unzulässigen Störungen des Radiobetriebes.
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Ein weiterer Nachteil der einfachen Wolframelektrode ist der, daß
die Spitze, wenn der Kathodenfleck um ihre Ränder wandert, zum Schmelzen gebracht
und abgerundet wird. Dieses Schmelzen der Elektrodenspitze und die Bildung einer
Kugel von geschmolzenem Metall auf ihr verursacht eine Vergrößerung der Lichtbogenstrecke,
die das Erlöschen des Lichtbogens oder die Erzeugung einer schlechten Schweißeng
bewirken kann. Der geschmolzene und glühende Zustand der einfachen Wolframspitze,
wie sie gegenwärtig in Benutzung ist, trägt auch zur Verdampfung der Elektrode oder
sogar zu einem Verlust von Metall bei, dadurch, daß die gescholzene Kugel sich von
der Elektrode trennt oder abfällt.
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Die 'hier beschriebene Elektrode ist, da sie bei Nichtglüh- und Nichtschmelztemperaturen
arbeitet, im wesentlichen, wenn nicht ganz, nicht verdampfend. Das Ende dieser Elektrode
wird ferner,
da es nicht geschmolzen @ wird, seine Form nicht verändern,
etwa durch Bildung einer geschmolzenen Metallkugel, wodurch eine häufige und lästige
Einstellung der Lichtbogenstrecke erforderlich würde. Bei Benutzung dieser Elektrode
bleibt die Lichtbogenstrecke, wenn sie einmal eingestellt - wurde, unverändert.
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Wenn Zirkoniumoxvd mit der Wolframelektrode mechanisch verbunden wird,
werden die Nachteile der einfachen Wolframelektrode vermieden. Wenn der Brenner
mit dem Anlegen des Hochfrequenzzündfunkens in Bewegung gesetzt wird, gibt es keinen
freien Fleck auf dem zu schweißenden Werkstück, weil Lichtbogen und Kathodenfleck
sofort ausgebildet werden. Außerdem verbleiben Kathodenfleck und Lichtbogen, wenn
sie einmal ausgebildet sind, stetig an dem Lichtbogenansatz der Elektrode, ohne
Wandern oder regelloses Verhalten. Bei Verwendung von Zirkoniumoxyd mit der Wolframelcktrode
ergibt sich eine stetige, gleichförmige Schweißung von hoher Festigkeit, die gleichzeitig
mit dem Anlegen des Hochfrequenzfunkens beginnt und ununterbrochen fortdauert, bis
Werkstück und Brenner später getrennt oder der Strom abgeschaltet wird, Die Vorteile
dieser Elektrode sind auch nutzbar bei Verwendung von Handschweißbrennern. In solchen
Fällen, wo der Hochfrequenzfunken zur Zündung des Lichtbogens und Kathodenflecks
verwendet wird, ist das Verfahren dasselbe wie bei der oben beschriebenen Verwendung
an einer automatischen Maschine. Wenn der Lichtbogen durch Kurzschließung der Lichtbogenstrecke
gezündet wird, empfiehlt sich die Verwendung eines Hilfskahlenblocks oder einer
Platte für die Lichtbogenzündung. Bei Verwendung eines solchen Blocks oder einer
Platte wird diese unmittelbar neben den Schweißanfang gelegt, wobei die Elektrode
mit ihr in Berühnulg gebracht und wieder zurückgezogen wird, um den Lichtbogen herzustellen,
worauf man den Brenner und den Lichtbogen auf das Werkstück hinüber bewegt. Ein
solches Verfahren vermeidet eine Verunreinigung des zu schweißenden Materials mit
Elektrodenmaterial. Wenn der Brenner von einem erfahrenen Schweißer benutzt wird,
«eire dann die einzige Möglichkeit für das Erlöschen des Bogens eine Stromabschaltung.
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Die Elektrode aus Wolframzirkoniumoxyd gemäß der Erfindung arbeitet
auch befriedigend bei viel niedrigeren Strömen als einfache Wolframelektroden. Beispielsweise
wird eine mit Zirkoniumoxyd bedeckte Wolf ramelektrode mit etwa 1,5 mm 0 bei 6 A
Gleichstrom sofort einen Bogen zünden, der eine ausgezeichnete Stabilität besitzt.
Andererseits wird eine ähnliche einfache Wolframelektrode einen guten, wenn auch
ziemlich unstabilen Bogen nur bei mindestens 2o bis 3o A Gleichstrom zünden.
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Das Zirkoniutnoxyd kann auf die Wolframclektrode auf verschiedene
Weise aufgebracht werden. Die Elektrode kann aus hohlem Wolfram gefertigt «erden,
wobei der Hohlraum sich bis in die Spitze der Elektrode erstreckt und mit Zirkoniumoxyd
und gegebenenfalls noch mit einem Bindemittel ausgefüllt wird. Das Zirkoniumoxyd
kann auch in irgendeiner geeigneten Weise auf die Seiten der Elektrode aufgebracht
werden. Beispielsweise kann man die Elektrode einfach in einen Brei oder eine Suspension
von Zirkoniumoxyd in Wasser eintauchen, herausnehmen und trocknen. Zur Beschleunigung
der Trocknung kann man der Suspension Alkohol oder andere flüchtige. Lösungsmittel
zugeben. Das Zirkoniumoxyd kann auch in Schlitzen untergebracht werden, die in der
Oberfläche der Elektrode angebracht sind. Weitere Kombinationen ergehen sich für
den Fachmann.
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Es können auch Bindemittel Anwendung finden-, um zu bewirken, daß
das Zirkoniumoxyd fester an der Elektrode anhaftet. Von allen bekannten Bindemitteln,
die zur Bindung von verschiedenen Überzügen an Schweißelektroden benutzt werden,
wird Wasserglas oder eine wäßrige Lösung von Natriumsilicaten bevorzugt.
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Im folgenden wird ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung einer
überzogenen Wolframelektrode beschrieben. Eine überzugsmischung wurde dargestellt
durch vollkommene Vermischung (zweckmäßig in einer Kugelmühle) von i oo Gewichtsteilen
Zirkoniumoxyd, 30 Volumteilen Wasserglas und i o Volumteilen Wasser. Eine
_ typische Analyse eines verwendeten Wasserglases ergab ungefähr 9% Natriumoxyd,
30% Kieselerde, Rest Wasser. Die Wolframelektroden werden kurzzeitig in die oben
beschriebene Mischung von Wasserglas, Zirkoniumoxyd und Wasser eingetaucht, herausgenommen
und bis zu ungefähr i Minute bei etwa 1500° C behandelt, um einen grauen, harten,
kräftig gebundenen Überzug von einem Bruchteil Millimeters auf der Elektrode zu
bilden. Das Backen oder Brennen des Überzugs kann in Wegfall kommen und der Überzug
nur an der Luft getrocknet werden. Der so hergestellte Überzug ist indessen nicht
so haltbar wie der durch Brennen erzeugte Überzug, wenn er mechanischer Behandlung
und thermischen Angriffen ausgesetzt wird.
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Das als Bindemittel benutzte Wasserglas trägt, wie angenommen wird,
zu den Vorteilen der Erfindung nur dadurch bei, daß es in zweckmäßiger Weise das
Zirkoniumoxyd auf der Elektrode festhält, während die Beeinflussung des Lichtbogens
durch das Zirkoniumoxyd mit Wasserglas als Bindemittel die gleiche ist, als wenn
Zirkoniumoxyd ohne jedes Bindemittel verwendet wird.
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Während Zirkoniumoxyd das bevorzugte Material ist, welches in dem
Elektrodenüberzug wesentlich ist, um die gewünschten Ergebnisse, wie sie hier beschrieben
wurden, zu erzielen, können auch andere Stoffe, die Zirkoniumoxyd enthalten und
von welchen als Beispiel Zirkoniumsilicat oder Zirkon (Zr o2 # S' O-1) genannt wird,
vorteilhafterweise zu demselben Zweck verwendet werden.
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Die Menge von Zirkoniumoxyd oder des diesen Stoff enthaltenden Materials,
die erforderlich ist, um die Vorteile der Erfindung zu erzielen, ist nicht kritisch.
Es wird gerade genügend Zirkoniumoxd
gebraucht, um einen dünnen
Film des Oxydes an' dem Ende der Elektrode zu bilden. Größere Mengen können verwendet
werden, ohne die Ergebnisse zu beeinträchtigen, nur mit der oberen Begrenzung, daß
nicht so viel verwendet wird, daß sieh eine Schmelze von Zirkoniumoxyd oder von
diesem und dem Bindemittel bilden kann, die auf das Werkstück tropft und dieses
verunreinigt. Beispielsweise ist im Fall eines Stabes von etwa 1,5 mm 2-"
ein Überzug von etwa 0,03 bis o,o7 mm Dicke zweckmäßig, während für einen
Stab mit einem Durchmesser von etwa 3 mm ein Überzug voll etwa 0,075 bis
o,i25mm Dicke bevorzugt wird.
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Im Betrieb wird die Elektrode gemäß der Erfindung in einem Lichtbogenschweißgerät
mit inertem Gas benutzt, von welchem eine typische Ausführungsform in der Zeichnung
wiedergegeben ist. Die Wolframelektrode i, die einen Überzug 2 der beschriebenen
Art besitzt, wird in einem federnden Futter 3 gehalten, welches seinerseits an dem
Kupferrohr 4 angebracht ist. Die Elektrode i kann in das Rohr 4 hineinreichen, welches
ein inertes Gas, wie Argon oder Helium, um die Elektrode herum zuführt und auch
als Leiter für die Zuführung des Schweißstromes zu der Elektrode i durch das Futter
3 dient.
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Das Rohr 4 ist von einer elektrisch isolierenden Hülse 5 umgeben,
die ihrerseits von einem Schutzgehäuse 6 aus einem haltbaren Material, wie Eisen
oder Stahl, umkleidet ist. Die Düse 7 greift durch Reibung in ein Ende des Gehäuses
6 ein und bildet eine das Ende des Rohres 4 und das an diesem befestigte Futter
3 umgebende Kammer. Das durch das Rolir 4 zugeführte Gas strömt in diese Kammer
durch mehrere Löcher 8 in der Seitenwandung des hohres 4 und tritt aus der Düse
7 um den Lichtbogenansatz der Elektrode i herum aus.
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Ein Pol einer Schweißstromquelle ist durch den Leiter g mit dein Rohr
4 und die andere Stromzufuhr ist durch den Leiter io mit dem Werkstücktisch i i
verbunden. Die zu schweißenden Teile i:? befinden sich auf diesem Tisch i i, wobei
ihre Ränder in Längsrichtung aneinanderstoßen.
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Die durch Anwendung der Erfindung erreichten Vorteile beruhen nicht
auf irgendeiner sog. Flußwirkung, da weder das Elektrodenmetall noch das Material,
wie Zirkoniumoxvd, in die Schweiße eingeht oder einen Belag auf ihr bildet. Die
einzige Umhüllungserscheinung, die beim Schweißen gemäß der Erfindung auftritt,
ist die des durch die Schweißbrennerdüse zugeführten inerten Gases, welches die
Elektrode und den geschmolzenen Teil des Schweißmetalls abschirmt. Die Elektrode
gemäß der Erfindung kann als unverbrauchbare in dem Sinne bezeichnet werden, daß
das Elektrodenmetall nicht in die Sehweiße eingeht.
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Die Anwesenheit von Zirkoniumoxyd bewirkt, daß Kathodenfleck und Lichtbogen
bei der Schweißung mit inertem Gas sogleich und dauernd an der Spitze der Wolframelektrode
ausgebildet werden, ohne an den Seiten der Elektrode oder auf andere Metallteile
des Schweißbrenners oder des Halters zu wandern.