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Elektrode für Lichtbogen-Schweiß- und -Schneidgeräte Die Erwärmung
von Metall, insbesondere das Schneiden und Schweißen von Metall sowohl in der Atmosphäre
als auch unter Wasser, wurde bisher mittels einer Sauerstoff-Acetylen-Flamme durchgeführt.
Obwohl diese Flamme schnell erwärmt und sehr wirksam ist, ergeben sich doch ernsthafte
Nachteile, wenn sie an Stellen verwendet wird, die von der Gasquelle (Flaschengas)
entfernt liegen, da sie große Mengen Bremigas benötigt, welches durch Hochdruckbehälter
zugeführt werden muß. Es ist sehr viel Arbeit aufgewendet worden, um andere, schnell
und wirksam arbeitende Schneid- und Schweißvorrichtungen zu entwickeln, insbesondere
solche, welche unter Wasser befriedigend arbeiten ohne große Gasmengen zu benötigen.
Eine dieser Vorrichtungen ist der elektrische Lichtbogen-Brenner, welcher mittels
einer geeigneten Elektrode einen Lichtbogen zwischen dem zu erwärmenden, d. h. entweder
zu schweißenden oder zu schneidenden Material erzeugt. Derartige elektrische Schneid-und
Schweißvorrichtungen sind insbesondere zum Arbeiten unter Wasser und für Reparaturarbeiten
sehr verwendbar, da,die meisten Schiffe elektrische Ausrüstungen besitzen, welche
genügen, um den hierfür erforderlichen Strom,zuerzeugen.
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Wenn derartige Einrichtungen unter Wasser, insbesondere unter Seewasser
benutzt werden, so ergibt sich jedoch ein sehr wesentlicher Nachteil. Die Lebensdauer
der ursprünglich benutzten Elektroden, und zwar Hunderter von Zusammenstellungen
von Elektroden, welche aus hitzebeständigen bzw. schwerflüssigen, nichtmetallisc'ben
und
metallischen Elektroden und Brennern bestehen, welche ausprobiert wurden, war sehr
kurz. Tatsächlich hatte keine vor der vorliegenden Erfindung unter Meerwasser verwendete
Elektrode eine Lebensdauer von mehr als 30 Sekunden. Infolge der hohen Temperatur
des Lichtbogens 'schmelzen Metallelektroden sehr rasch ab. Wenn sie einen derartigen
Zeitraum und in den meisten Fällen sogar wesentlich kürzer in Betrieb sind, brechen
nichtmetallische Elektroden mit geringem elektrischem Widerstand ab, und zwar gewöhnlich
an oder in der Nähe der Verbindungsstellen zwischen der Elektrode und dem Elektrödenhalter
am Brenner. Der Grund hierfür war damals und ist auch heute noch nicht bekannt.
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Es ist anzunehmen, daß gewisse chemische Reaktionen zwischen dem Seewasser
und der Elektrode eintreten, welche durch den in der Elektrode fließenden Strom
unterstützt wenden. Die Abkühlwirküng des Wassers auf die Elektrode scheint ebenfalls
hierauf einen gewissen Einduß zu haben. Diese Nachteile können dadurch vermieden
werden, daß bei einer aus einem Grundk`o'rper aus hoch hitzebeständigem bzw. schwer
flüssigem-ele'litrisch leitendem Material bestehenden Elektrode erfindungsgemäß
ein mit dem Grundkörper verbundener Metallbestandteil verwendet wird, der sich im
wesentlichen über die Gesamtlänge ._ Grundkörpers erstreckt und einen Leitweg zwischen
der Einspannung der Elektrode und ihrem Arbeitsende mit gegenüber dem Leitwert .des
Grundkörpermaterials geringen Widerstand bildet. Die durchschnittliche Lebensdauer
von Elektroden gemäß der Erfindung ist wenigstens achtmal größer als diejenige von
Elektroden, welche bisher zum Schneiden unter Seewasser benutzt wurden.
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Diese Metallbestandteile sind so angeordnet, daß sie direkt in Berührung
mit den elektrischen Kontakten für die Elektrode stehen und. den Ström längs der
Elektrode an eine Stelle am- oder sehr dicht beim Lichtbogen leiten.
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Die Erfindung ist in Verbindung mit den Zeichnungen besser verständlich.
In diesen zeigt Fig. i einen Schnitt durch einen elektrischen Unterwasserbrenner,
Fig. 2 einen Schnitt nach Linie, A-A von Fg. i, Fig. 3: eine Ansicht teilweise im
Schnitt einer Elektrodenklemme eines elektrischen Unterwasserschneidwerkzeuges mit
einer Elektrode gemäß der Erfindung; FinG. q. einen Schnitt nach Linie B-B von Fig:
3, Fig. 5 einen Längsschnitt einer anderen AusfÜhrungsform der Elektrode gemäß'
der Erfindung und Fig. 6 einen Querschnitt durch .die Elektrode gemäß Fig. 5 nach
Linie C-C.
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Fig. i zeigt schematisch einen elektrischen Brenner zum Unterwasserschneiden,
welcher auch zum Schweißen verwendet werden kann.
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Dieser Brenner besteht aus einem Kopf i, zweckmäßig aus Metall, welcher
- auf ein Rohr 2 aufgeschraubt ist. Das Rohr :2 enthält ein elektrisches Kabel 3
und eine Zuleitung 4 für Sauerstoff. Die Leitung 3 ist mittels Öse 5 und Schraube
6 an den Kopf i angeschlossen. Die Leitung q. mündet in die Bohrung 7 des Kopfes
i und schließt sich an die Bohrung 8' der Elektrode 8 an.
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Gemäß Fig. 2 ist die Elektrode 8 mittels einer um einen Bolzen 12
schwenkbaren Klemmbacke i i und einer Schraube 16 mit Kopf 15 festgeklemmt, welche
durch eine Bohrung` 14 in einer Vertiefung 13 des Kopfes i hindurchiritt. Zwischen
die Elektrode 8 und die Mündung der Bohrung 7 des Kopfes i ist eine elastische Packung
18 in. einer Aussparung 17; z. B. eine mit Graphit imprägnierte Asbestscheibe, angeordnet.
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Am unteren Ende des Rohres 2 sitzt ein Handgriff i9, welcher z. B.
bei 20 mit dem Rohr ä verschweißt ist. Das Rohr 2 wird durch eine von Schrauben
22 .gehaltene Scheibe 21 mit einer Büchse 23 abgeschlossen, durch welche das Klabel3
hindurchtritt. Durch eine zweite Büchse 24 tritt die Sauerstoffleitung q. hindurch.
Die Büchse 24 ist mittels Muttern 25 und 26 mit der Scheibe 21 verbunden. Die Leitung
q. trägt ein kurzes Rohrstück 27, welches durch eine Klemme 29 mit dem Gasschlauch
28 verbunden ist.
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Wenn der in Fig. i und 2 dargestellte Brenner zum Unterwasserschneiden
benutzt wird; wird das Kabel 3 unter Starkstrom gesetzt und Sauerstoff durch das
Rohr q: und den Kanal 7 in die Bohrung 8' .der Elektrode geleitet. Der Taucher zieht,dann
einen Lichtbogen zwischen dem äußeren oder Arbeitsende der Elektrode und dem zu
schneidenden Metall. Die Elektrode wird hierauf ein kurzes Stück vom Metall abgezogen,
so daß der Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Metall bestehen bleibt, und
der Schneidbrenner wird dann langsam in Richtung des Schnittes über das Metall geführt.
Der elektrische Lichtbogen erwärmt und schmilzt .das Metall und der .dem Lichtbogen
durch die hoble Elektrode zugeführte Sauerstoff oxydiert und verbrennt das geschmolzene
Metall und entfernt es auf diese Weise wirksam aus der Schriftfuge. Wie früher erläutert,
entstand bei den hoch hitzebeständigen bzw. schwer schmelzbaren, nichtmetallischen
Elektroden mit niedrigem elektrischem Widerstand nach relativ kurzer eine starke
Schwächung an vom Arbeitspunkt entfernten Stellen, und infolgedessen brachen sie
an der Einklemmstelle des Brenners oder Elektrodenhalters ab. Dieser Bruch. trat
meistens an der durch den Pfeil 30 in Fig. i bezeichneten Stelle ein.
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Diese Schwierigkeit der Schwächung und des Abbrechens der Elektrode
entsteht beim Unterwasserarbeiten mit Lichtbogen, gleichgültig, ob die Elektrode
hohl oder fest ist, gleichgültig, ob geschnitten order geschweißt wird und gleichgültig,
ob der Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer Elektrode oder zwischen zwei
Elektroden gezogen wird. Dasselbe Problem des Bruches der Elektrode besteht, wenn
auch nicht im selben Maße, wenn mit festen öder höhlen Elektroden in der Luft geschweißt
oder geschnitten wird.
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Durch die Elektrode gemäß der Erfindung, von der eine Ausführungsform
in Fig. 3 dargestellt ist,
werden .diese Schwierigkeiten beseitigt,
so .daß die Elektrode durch .die normale Abschmelzwirkung des elektrischen Lichtbogens
aufgebraucht wird und nicht abbricht, ehe sie wirksam verbraucht worden ist. Gemäß
Fig. 3 ist der zum- Unterwasserschneiden hohle Kern 3o der Elektrode mit einer Mittelbohrung
31 versehen. Diese Elektrode ist in einen Brenner derselben Bauart, wie in Fig.
z dargestellt, eingesetzt. Der Mittelbohrung der Elektrode wird Sauerstoff zugeführt,
und die Elektrode wird durch eine zweiteilige Klemmvorrichtung an ihrem linken Ende
gehalten, welches einen genau vorbestimmten Durchmesser hat. Bei der dargestellten
Ausführungsform hat die Elektrode einen Mantel 32 aus Metall mit niedrigem elektrischem
Widerstand, welcher die gesamte Außenfläche des Elektrodenkernes 3o von ihrem eingeklemmten
Ende bis zu ihrer Arbeitsspitze umgibt. Der Kern 3o besteht aus schwer schmelzbarem
bzw. hoch hitzebeständigem Material mit verhältnismäßig niedrigem elektrischem Widerstand.
Ein derartiges Material ist Graphit. Bessere Ergebnisse können mit einem silicierten
Siliciumkarbidprodukt erreicht werden. Das Kernkörpermaterial ist porös und besteht
im wesentlichen aus einer Kohlemenge in offener, ursprünglicher Struktur. Ein. Kohlekörper
mit diesen Eigenschaften kann z. B. dadurch hergestellt werden, daß ein Stück Holz
der gewünschten Form gekohlt wird, oder es kann hergestellt werden, indem Mischungen
aus karbonisierbarem Material, wie z. B. Weizenmehl, mit einem geeigneten Bindemittel
hergestellt werden und diese Mischung in eine Form gestampft oder durch eine Matrize
mit einer Öffnung von geeignetem Durchschnitt gepreßt und dann der erhaltene Körper
karbonisiert wird. Der Körper kann ferner hergestellt werden durch Mischung von
Furfurol und Furfurylalkohol mit einer geeigneten Säure, z. B. Schwefel- oder Salzsäure,
worauf die Mischung in eine Form mit einem Hohlraum der entsprechenden Gestalt gegossen
wird, welche durch die Reaktion der Furfurolmasse und der Säure die Bildung eines
offen porösen Kahlekörpers mit der gewünschten ursprünglichen Kohlestruktur gestattet.
Der Kohlekörper, welcher nach einem dieser Verfahren hergestellt worden ist, wird
dann der Wirkung von Siliciumdampf bei einer Temperatur erheblich über dem Schmelzpunkt
des Siliciums unterworfen. Die Silicierbehandlung wird zweckmäßig durchgeführt,
indem der Kohlekörper auf eine Masse aus festem oder geschmolzenem Silicium gelegt
und dann das Silicium auf eine über seinem Schmelzpunkt liegende Temperatur erhitzt
wird. Durch diese Silicierbehandlung wind die ursprüngliche Kohlestruktur des Körpers
in kubisches Siliciumkarbid umgewandelt und die Öffnungen oder .die Zwischenräume
zwischen diesen Teilen des Körpers im wesentlichen mit elementarem Silicium ausgefüllt.
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Bei der Herstellung des Kernes des Elektroden körpers gemäß der Erfindung
wird vorzugsweise ein siliciertes Siliciumkarbid benutzt, welches einen relativ
niedrigen. Gehalt an elementarem Silicium hat und das dadurch gegen Hitzestöße sehr
widerstandsfähig ist.
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Der Metallmantel 32 kann auf den Kern 3o, welcher, wie erläutert,
vorzugsweise aus siliciertem Siliciumkarbid besteht, nach verschiedenen Verfahren
aufgebracht werden. Bei einem dieser Verfahren wird der Metallmantel 32 mittels
der bekannten Schoop-Metall-aSpritzpistole aufgespritzt, wobei der Belag aus einer
Anzahl nacheinander aufgebrachter dünner Schichten entsteht, indem die Spritzpistole
längs der Elektrode bewegt wird, während letztere um ihre Achse gedreht wird, z.
B. mittels einer Drehbank. Da das silicierte Siliciumkarbid von Natur aus ein körniges
Äußeres besitzt und da bei dieser Ausführungsform der Mantel den Kern
30 vollständig umgibt, so ist die Haftung zwischen-dem Kern und dem Mantel
ausgezeichnet. In einigen Fällen jedoch kann es erwünscht sein, auf dem Kern Haftmittel
vorzusehen, z. B. durch entsprechende Formung, Ausdrückung oder Gießen des silicierten
Siliciumkarbidkernes mit einer räühen Oberfläche. Derartige Maßnahmen sind notwendig,
wenn der Mantel den Kern nicht vollständig umgibt. Der Mantel 32 ist gemäß der Erfindung
aus einem Metall hergestellt, welches einen sehr viel geringeren Widerstand hat
als der Kern und gute mechanische Festigkeiten und einen relativ hohen Schmelzpunkt
besitzt. Als brauchbare Metalle haben sich Messing, Nickel, Aluminium und Eisen
bewährt, obwohl selbstverständlich die Erfindung nicht auf die hier genannten Metalle
oder Legierungen für den Mantel 32 beschränkt ist.
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Der Mantel 32 kann auf den Kern 3o auch durch einen Gießvorgang aufgebracht
werden. Dies geschieht besonders zweckmäßig mittels einer senkrechten Form, in welcher
der Kern 30 senkrecht und koaxial zum zylindrischen Hohlraum der Form angeordnet
ist. Das Metall wird dann in den Formhohlraum so hoch eingegossen, wie dies der
Länge des Kernes entspricht, worauf das Metall fest werden und fest auf den Kern
aufschrumpfen kann. Ein weiteres Verfahren, welches in gewissen Fällen vorteilhaft
verwendet werden kann, besonders wenn der Kern zunächst in einer Länge hergestellt
wird, die zur Bildung mehrerer Elektroden ausreicht, welche später abgeschnitten
werden, besteht darin, den Metallbelag 32 um ein solches langes Kernstück herum
aufzupressen. Dies kann mittels einer Vorrichtung geschehen; welche aus einem Zylinder
und einem Kompressionskolben besteht, wobei das Umhüllungsmaterial in den Zylinder
flüssig oder nahezu flüssig eingefüllt wird. Der Auslaß des Zylinders mündet in
eine Ausdrückform, deren Öffnung dem Durchmesser des umhüllten Kernes entspricht.
Das lange Kernstück wird in die Vorrichtung am hinteren Ende der Ausdrückmatrize
eingeführt und liegt koaxial zur Öffnung der Matrize. Bei entsprechendem Druck auf
den Ausdrückkolben und einer entsprechenden Vorschubbewegung des Kernes tritt der
Kern aus der Ausdrückmatrize mit einem Metallbelag entsprechender Dicke aus und
der Metallbelag umgibt den Kern in der gewünschten Dicke. Dieses Verfahren
entspricht
etwa demjenigen, -welches dazu dient, elektrische Kabel mit einem Metallmantel
zu umhüllen.
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Nachdem die Ummantelung durch das Ausdrückverfahren beendet ist, kann,
das lange Kernstück in Elektroden der gewünschten Länge zerschnitten werden.
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Der Metallmantel mit geringem Widerstand kann in einigen Fällen auf
den Kern auch als vorgeformtes Rohr aufgebracht werden. Das Rohr ist dann so bemessen,
daß es sich beim Erhitzen so weit ausdehnt, daß der Kern in das Rohr hineingeschoben
werden kann, und daß beim Abkühlen das Rohr sich zusammenzieht und den Kern fest
umgibt.
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Es hat sich gezeigt, daß die nach einem der Verfahren gemäß der Erfindung
hergestellten Elektroden brauchbar sind und wesentliche Vorteile gegenüber den bekannten
Elektroden aufweisen. Die genauen Gründe für diese Verbesserung sind nicht bekannt.-
Es -ist jedoch anzunehmen, daß einer der Hauptgründe in der Tatsache liegt, daß
der an die Elektrode gemäß der Erfindung-angelegte Strom beim Verlassen der elektrischen
Kontaktvorrichtung des Brennerkopfes nicht in. die Elektrode an den Punkten, oder
sehr kleinen Flächen eintritt, wie das bei den in Fig. i dargestellten Elektroden
der Fäll ist. Bei dem Brenner gemäß Fig. i besteht zwischen dem Teil der hoch hitzebeständigen
bzw. schwer schmelzbaren nichtmetallischen Elektrode, welcher in den Kopf des Brenners
hineinragt und .dem die Elektrode umgebenden Metall des Brennerkopfes ein hoher
Übergangswiderstand, wodurch eine stärke Hitze entsteht. Ferner erzeugt die hohe
Stromdichte an der Oberfläche der Elektrode an der Berührungsstelle eine erhebliche
Erhitzung dieser Fläche. Diese beiden Faktoren ergänzen sich und erreichen am Punkt
30 ein Maximum, so daß die .Elektrode an diesem Punkt extreme Temperaturen
erreicht.
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Bei Elektroden -gemäß der Erfindung fließt der Strom von den elektrischen
Verbindungseinrichtungen des Brennerkopfes i längs des Mantels 32 mit niedrigem
Widerstand in die Elektrode. Dieser Mantel hat einen niedrigen elektrischen Widerstand
und leitet den Strom leicht bis zur Spitze der Elektrode, wo der Lichtbogen entsteht.
Infolgedessen entsteht innerhalb der Elektrode durch den Stromdurchfluß keine lokale
Erwärmung. Durch die Vermeidung von heißen Stellen innerhalb der Elektrode wird
zusätzlich die Wirksamkeit des Erwärmungssystems als Ganzes vergrößert, da eine
begrenzte Erwärmung nur an der Stelle stattfindet, wo sie erwünscht ist, nämlich
durch den Lichtbogen an der Spitze der Elektrode.
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Es sei an- dieser Stelle erläutert, daß die Elektrode während ihrer
Benutzung abschwilzt und daß der Metallmantel in dem Maße abschmilzt, wie der Kern
30 sich verkürzt, daß jedoch der Mantel im wesentlichen in einem festen Abstand
vom Ende der Elektrode erhalten bleibt, bis der Verbrauch -der' Elektrode sich dem
Brennermundstück i so weit genähert hat, däß sie nicht länger verwendet werden kann.
Die Tatsache, daß der Mantel 32 die mechanische Festigkeit der Elektrode beträchtlich
vergrößert, bildet möglicherweise einen, weiteren Grund für ihre erhöhte Lebensdauer.
Der Mantel 32
schützt ferner die Elektrode mit Ausnahme ihrer Spitze gegen
Berührung mit Wasser. Insbesondere bei Meerwasser, welches große Mengen verschiedener
gelöster Salze enthält, wird hierdurch eine chemische Einwirkung verhindert, welche
sonst zwischen dem Seewasser und dem Kern 30 stattfinden würde.
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Es hat sich jedoch als nicht notwendig erwiesen, den .Elektrodenkern
bis zur Spitze der Elektrode vollständig zu ummanteln, um den Strom bis zur Spitze
der Elektrode zu leiten. Es hat sich vielmehr als ausreichend erwiesen, in den Kern.
eine genügende Menge von Metall geringen Widerstandes aufzunehmen, um einen Weg
vom Brennerkopf bis zur Arbeitsspitze der Elektrode zu bilden. Aus diesem Grund
ist die Richtigkeit der zuletzt erörterten Annahme einer Vermeidung chemischer Reaktionen
zwischen dem Kern und dem Wasser durch vollständige Ummantelung des Kernes zweifelhaft.
Es hat sich vielmehr eine Anordnung, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, als brauchbar
erwiesen, bei welcher ein Elektrodenkern 33 aus siliciertem Siliciumkarbid mit mehreren
eingebetteten Metallstreifen versehen ist. Eine derartige Elektrode hat im wesentlichen
dieselben Vorteile wie die Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4: Die in Fig. 5 und
6 dargestellte Elektrode kann dadurch hergestellt werden, daß der Kern mit Längsnuten
versehen wird, und diese Nuten dann in ihrer ganzen Tiefe mit Metall ausgefüllt
werden, z. B. durch Aufspritzen oder Gießen. Die natürliche Rauhheit des silicierten
Siliciumkarbidmaterials genügt für gewöhnlich, um das Metall in diesen Nuten festzuhalten:
Gewünschtenfalls können diese Nuten jedoch unterschnitten sein, d. h. ihr Bodenteil
kann breiter sein als ihr oberer Teil. Die Anordnung eines Weges aus Metall mit
geringem Widerstand für den Strom in der Elektrode macht keine Schwierigkeiten.
Dieser Stromweg kann z. B. als Belag der Bohrung innerhalb der Elektrode, wenn sie
hohl ist, ausgeführt sein. Wenn massive Elektroden verwendet werden, kann das Metall
in die Elektrode als Mittelkern eingebracht werden. Der Stromweg kann auch zwischen
der inneren Wandung und der Außenfläche in Form eines Rohres, geradliniger Stangen
öder einer oder mehrerer spiralförmig gewundener Stangen, liegen. Die Ausführungsform
gemäß Fig.3 bis 6 ist jedoch zu- i mindestens bei der Art des dargestellten Schneidbrenners
vorzuziehen, weil bei ihnen die elektrische Verbindung zwischen dem Schneidbrenner
und dem Metallweg mit geringem Widerstand auf oder in der Elektrode leicht hergestellt.
werden kann. i Obwohl die Vorrichtung und die Elektrode hauptsächlich in bezug auf
eine elektrische Lichtbogenschneidvorrichtung beschrieben worden sind, hat die Elektrode
gemäß der Erfindung dieselben-Vorteile, wenn sie in einer Schweißvorrichtung ver-
i wendet wird, insbesondere einer solchen für Unterwasserschweißung,
bei
welcher der Lichtbogen zwischen zwei Elektroden gezogen wird und das zu schmelzende
und aufzuschweißende Material durch einen im Lichtbogen automatisch zugeführtenDraht
zugeführt wird. Zur Unterwasserschweißung kann eine Elektrode hohl sein, um ein
gewünschtes Gas zuzuführen, welches um den Lichtbogen Gasblasen bildet, und die
andere Elektrode kann massiv sein.