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Verfahren zum Gleichstrom-Schutzgas-Lichtbogenschweißen mit einer
sich verbrauchenden Elektrode Die Erfindung betrifft eine blanke, abschmelzende
Drahtelektrode, welche Spuren von Steuermetallen enthält, zur Gleichstrom-Schutzgas-Schweißung
mit Edelgasen als Schutzgas.
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Es ist bekannt, daß beim Schutzgasschweißen mit Edelgasen für eine
ausreichende Ionisierung der Lichtbogenstrecke gesorgt werden muß. Man hat auch
schon blanke Elektrodendrähte verwendet, in deren Oberfläche Spurenelemente eingebracht
wurden, und zwar sowohl bei der Edelgas-Schutzgas-Schweißung als auch bei der Automaten-Schweißung
an freier Atmosphäre. Für solche Steuermetalle, welche die Ionisierung erhöhen,
werden im allgemeinen Alkali-und Erdalkalimetalle verwendet; weiterhin sind auch
schon Lanthan und Cer vorgeschlagen worden. Es ist nun gefunden worden, daß bestimmte
Stoi.e aus diesen Gruppen für bestimmte Schweißaufgaben besonders geeignet sind
und daß auch noch andere Stoffe, außer den obengenannten, mit großem Vorteil zu
verwenden sind.
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Die Erfindung besteht darin, daß als Steuermetall Actinium oder in
an sich bekannter Weise Lanthan oder Metalle der seltenen Erden dieser beiden Reihen
oder Scandium oder Yttrium verwendet wird.
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Eine weitere Erfindung betrifft eine blanke, abschmelzende Drahtelektrode,
welche Spuren von Alkali- und/oder Erdalkalimetallen als Steuermetall enthält, zur
Gleichstrom-Lichtbogen-Schutzgas-Schweißung mit Edelgasen als Schutzgas, und die
Erfindung besteht darin, daß beim Schweißen von
Aluminium das Steuermetall
aus Caesium und/oder Rubidium, z. B. in Form der Nitrate, besteht.
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Abänderungen dieser Erfindung betreffen die Verwendung von Rubidium
und/oder Caesium als Steuermetall beim Schweißen von Kupfer bzw. von Bariumoxyd,
Rubidiumcarbonat oder Rubidium-Caesium-Chlorid einzeln oder in Kombination, oder
in an sich bekannter Weise aus Cer oder Lanthan, zum Schweißen von Eisen oder Stahl.
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Die zuzuführenden Steuermetalle werden so ausgewählt, daß die Austrittsarbeit
der Kathode das Wärmegleichgewicht so verschiebt, daß ein stabiler konzentrierter
Kathodenfleck gebildet wird. Es wird angenommen, daß, wenn der Draht die Kathodenkonzentration
an der Kathodenspitze darstellt, in dieser Weise der Metalltransport sich so lange
verbessert, wie die Tropfen von geschmolzenem Metall beim Verlassen des Drahtes
vollständig in dem Plasma eingetaucht bleiben. Daher stabilisieren die Zusatzstoffe
den Lichtbogen und verbessern die Metallübertragung, z. B. den Sprühtransport vom
Draht zum Werkstück. Auch können sie in vorbestimmter Weise z. B. die Drahtabbrandgeschwindigkeit,
den Einbrand und die Größe und die Konturen der Schweißraupe verändern.
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Die an der Kathode freigesetzte oder erzeugte Wärme ist weitgehend
das Ergebnis eines Bombardements mit positiven Ionen. Wenn die Kathode bei Schweißtemperatur
viele Elektronen aussendet, so ist anzunehmen, daß die positiven Ionen weitgehend
neutralisiert werden, bevor sie die Kathode erreichen; der Spannungsabfall an der
Kathode ist also gering, und das Bombardement der Kathode und die Erzeugung von
Wärme auf der Kathode werden auf ein Mindestmaß beschränkt. Wenn die Kathode wenig
Elektronen aussendet, ist dementsprechend das Bombardement mit positiven Ionen stärker,
der Spannungsabfall an der Kathode hoch, und es wird mehr Wärme an der Kathode entwickelt.
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Die meisten der gebräuchlichen Baustoffe, wie Aluminium, Kupfer, Nickel,
Eisen, Magnesium, oder Titan und deren Legierungen, die in großen Mengen geschweißt
werden, sind schlechte Elektronensender oder sogenannte Kaltkathodenstoffe. Bei
der Lichtbogenschweißung mit inertem Schutzgas mit Elektroden aus Kaltkathodenstoffen
findet daher ein starkes Bombardement der Kathode mit positiven Ionen und eine starke
Abgabe von Wärme an der Kathode statt.
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Der Unterschied in der Wärmeabgabe an der Anode ist dagegen gering.
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Ferner setzt eine Kathode, die reichlich Elektronen aussendet, das
Aussenden dieser Elektronen fort, sogar nachdem der Strom für den Lichtbogen verlöscht
ist, während die Emission bei Kaltkathodenmaterial sofort aufhört, wenn der Strom
unterbrochen wird. Thermionische Stoffe, die reichlich Thermionen aussenden, bilden
bei Schweißlichtbögen mit Schutzgas und sich verbrauchenden Elektroden einen stabileren
Lichtbogen. Wenn Unterbrechungen des Lichtbogens auftreten, setzt sich die Lieferung
von Elektronen fort und führt zu einer leichten Wiederentzündung des Lichtbogens
bei einer niedrigem Leer-Laufspannung. Das Kaltkathodenmaterial erfordert dagegen
eine sehr hohe Leerlaufspannung.
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Die Fig. i bis 5 zeigen die Abbrenngeschwindigkeit des Drahtes, aufgetragen
gegen den Schweißstrom für verschiedene Elektrodendrähte mit und ohne Steuermetallzusätze
gemäß der Erfindung; Fig.6 zeigt qualitativ die Emissionsgeschwindigkeit von Thermionen
an der Kathode, aufgetragen auf einer logarithmischen Ordinate gegen die Kathodentemperatur
auf einer linearen im absoluten Maß für bestimmte Kathodenstoffe und zusammengesetzte
Kathodenoberflächen.
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Ein Schweißlichtbogen mit inertem Schutzgas aus üblichen Werkstoffmetallen
oder Kaltkathodenmetallen entwickelt, wenn das Werkstück die Kathode des Gleichstromlichtbogens
und der sich verbrauchende Elektrodendraht die Anode bildet, mehr Wärme am Werkstück
als. im Draht. Durch die Zuführung von Steuermetallen gemäß der Erfindung zum Lichtbogen
in sehr kleinen Mengen und in der hernach näher zu beschreibenden Weise, wenn alle
anderen Bedingungen gleich sind, kann man das Wärmegleichgewicht bei der Arbeitsweise
mit positiver Elektrode in beliebigem gewünschtem Ausmaß so weit verschieben, daß
im Draht mehr Wärme als im Werkstück erzeugt wird. In ähnlicher Weise wird, wenn
der Elektrodendraht die Kathode und das Werkstück die Anode bilden, beträchtlich
mehr Wärme in dem Draht entwickelt als im Werkstück - dies bis zu einem Ausmaß,
daß das Verfahren in vielen Fällen praktisch undurchführbar wird. Durch die Zuführung
der Steuermetalle gemäß der Erfindung kann man auch hier, wenn alle anderen Bedingungen
gleichbleiben, das Wärmegleichgewicht in einem beliebigen gewünschten Ausmaß verschieben.
Durch richtige Auswahl und Anwendung von Steuermetallen kann ein Wärmegleichgewicht
beim Metallschweißlichtbogenverfahren mit inertem Schutzgas und negativer Elektrode
erreicht werden, welches sich dem Wärmegleichgewicht beim Verfahren mit positiver
Elektrode ohne diese Zusätze annähert. Der Metallschweißlichtbogen mit negativer
Elektrode und inertem Schutzgas kann so zu einem technisch befriedigenden Verfahren
gestaltet werden. Beispiel I Es wurde eine Schweißung mit einem Flußeisenelektrodendraht
auf einer Stahlplatte mit Gleichstrom und negativer Elektrode in einem Verfahren
der Fig. i, 2 und 3 durchgeführt, wobei zu dem Lichtbogen gewisse Zusätze gemacht
werden, ohne daß die Drahtabbrandgeschwindigkeiten übermäßig werden. Es wurde eine
Elektrode aus Flußstahl mit Rubidiumcarbonat auf seiner Oberfläche verwendet. Als
Schutzgas diente gg,51/aiges Argon bei einer Zufuhr von etwa 2,i m3 je Stunde durch
eine Düse von 2,5,4 mm 0
unter Bildung eines nicht turbulenten Schutzgasstromes.
Der Schweißstrom betrug 325 Ampere Gleichstrom. Bei normaler Lichtbogenlänge von
etwa ¢,8 mm betrug die Drahtzufuhrgeschwindigkeit etwa 375 cm je Minute und die
Lichtbogenspannung 2o Volt. Um genaue und richtige Versuchsergebnisse zu erhalten,
wurde die Schweißpistole festgehalten und
das Werkstück unter ihr
mechanisch mit einer Schweißgeschwindigkeit von 25 cm je Minute bewegt.
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Das Rubidiumcarbonat wurde in an sich bekannter Weise wie folgt auf
den Draht aufgebracht. Der Draht wurde durch ein Rollenpaar geleitet, von dem eine
Rolle gerändelt war, um Querrillen von etwa 0,I3 mm Tiefe in einem Abstand von etwa
o,8 mm zu erzeugen. Das Rubidiumcarbonat wurde als Paste mit denaturiertem Alkohol
durch Aufstreichen auf die Oberfläche und in die Querrillen des Drahtes aufgebracht.
Anschließend wurde durch eine dicht passende ringförmige Kautschukquetsche der überschüssige
Schlamm entfernt. Dann wurde durch ein Rollenpaar mit glatter Oberfläche und halbrunden
Rillen die Aufrauhung der Oberfläche, die beim Rändeln. entstanden war, geglättet
und das zugeführte Material in die Einschnitte eingedrückt. Alles nicht eingepreßte
Rubidiumcarbonat wurde dann abgewischt und der Alkohol verdampft. Der so behandelte
Draht hat eine praktisch nackte, elektrisch leitende Oberfläche und nimmt den Schweißstrom
von dem Kontaktrohr ohne Schwierigkeit ab. Da Rubidiumcarbonat hygroskopisch ist,
kann es in feuchter Atmosphäre Feuchtigkeit absorbieren. Jedoch wird dies leicht
vermieden, indem man den Draht in einer trockenen Atmosphäre aufbewahrt. Rubidiumoxyd
kann mit im wesentlichen der gleichen Wirkung auf das Wärmegleichgewicht des Lichtbogens
wie das Carbonat verwendet werden, ist aber nicht hygroskopisch.
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Ein auf diese Weise mit Rubidiumcarbonat behandelter Draht ergibt
einen guten Schweißlichtbogen mit sprühförmiger Metallübertragung vom Draht auf
das Werkstück, wobei der Lichtbogen das Aussehen eines üblichen Metallschweißlichtbogens
von hoher Stromdichte mit positiver Elektrode und Schutzgas mit einem unbehandelten
Draht hat. Das Schweißmetall schmilzt gut in die Platte ein und erzeugt eine gutgeformte
hochwertige Schweißraupe.
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Um zu zeigen, wie sehr die kleinen Mengen Rubidiumcarbonat auf dem
Draht die in dem Draht erzeugte Wärme vermindern, wenn er die Kathode des Lichtbogens
ist, wurde der folgende Versuch gemacht: Ein sauberer nackter Elektrodendraht aus
Flußstahl von 1,6 mm Durchmesser, identisch mit dem oben beschriebenen Draht, aber
ohne Rubidiumcarbonat, wurde wiederum als Kathode verwendet. Die Vorrichtung, das
Schutzgas und der Strom waren wie beim vorstehenden Versuch. Die Schweißgeschwindigkeit
wurde bei 25 cm je Minute und der Schweißstrom bei 325 Ampere gehalten. Der unbehandelte
Draht gab unter diesen Bedingungen eine Abbrandgeschwindigkeit von 9,15 m
je Minute und die Lichtbogenspannung betrug 28 Volt. Dies im Vergleich zu einer
Abbrandgeschwindigkeit von 3,8 m je Minute und einer Lichtbogenspannung von 2o Volt
mit dem mit Rubidiumcarbonat behandelten Draht. Mit dem mit Rubidiumcarbonat behandelten
Draht war der Lichtbogenbetrieb befriedigend und die erzeugte Schweißung war gut.
Mit dem nackten Draht war der Lichtbogen unruhig und unregelmäßig, der Metalltransport
schlecht (verhältnismäßig schwere Spritzer und große Tropfen) und das Verfahren
praktisch undurchführbar.
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Um ein gutes Verschmelzen des aufgetragenen Metalls'mit dem Werkstück
zu erzielen, soll die an dem Draht frei gemachte Wärme die an der Platte frei gemachte
Wärme um nicht mehr als 50 % übersteigen. Der bei den Vergleichsversuchen festgestellte
Unterschied im Abbrennen und im Lichtbogen ist mindestens zum Teil dem hohen Emissionsvermögen
des mit Rubidiumcarbonat behandelten Drahtes für Thermoelektronen der. Schweißtemperatur
zuzuschreiben. Beispiel II Ähnliche Effekte können mit Steuermetallen gemäß der
Erfindung bei Nichteisen-Elektrodendrähten erzeugt werden. Zum Beispiel kann Aluminium
mit negativer Elektrode nach der Erfindung geschweißt werden, wenn man dem Aluminiumelektrodendraht
Cäsiumnitrat zugibt. Es wurde eine Schweißung an einer Aluminiumlegierungsplatte
mit einer Aluminiumlegierungselektrode gemacht unter Verwendung von Argon (99,5°/,1g)
als Schutzgas, zugeführt als nicht turbulenter Gasstrom mit 2,1 m3 je Stunde durch
eine Düse von 2,54 cm Durchmesser. Die Vorrichtung war im wesentlichen die gleiche
wie die in den Fig. x, 2 und 3 dargestellte. Der Elektrodendraht war ein Aluminiumdraht
von 1,6 mm Durchmesser mit einer kleinen, darauf angebrachten Menge Cäsiumnitrat.
Die Platte, auf der die Schweißraupe abgelagert wurde, bestand aus Aluminium von
etwa 9 mm Dicke. Die Schweißgeschwindigkeit betrug 25 cm je Minute. Das Cäsiumnitrat
wurde auf den Draht in der gleichen Weise aufgebracht wie vorher das Rubidiumcarbonat.
Bei einem Lichtbogenstrom von 22o Ampere gerader Polarität betrug die Abbrandgeschwindigkeit
des Drahtes 4,o6 m je Minute und die Lichtbogenspannung 16 Volt. Die Arbeitsbedingungen
der Schweißung waren ausgezeichnet mit Sprühübertragung des Metalls von der Elektrode
auf das Werkstück, einem ruhigen Lichtbogen und ohne Umherspritzen. Die Regulierbarkeit
des Lichtbogens war gut (Lichtbogenlänge und Spannung blieben nahezu konstant).
Die Schweißraupe war wohlgerundet und glatt.
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Um die Verschiebung des Wärmegleichgewichts durch den Zusatz von Cäsiumnitrat
zum Aluminiumdraht zu illustrieren, wurde eine Vergleichsschweißung bei negativer
Elektrode mit einer unbehandelten Aluminiumelektrode bei sonst gleichen Verhältnissen
angestellt. Das Verfahren war, nicht durchführbar. Die Abbrandgeschwindigkeit war
außerordentlich groß (reichlich 12,7 m je Minute). Der Lichtbogen war schlecht regulierbar,
unruhig und spritzte weithin. Die Schweißraupe war unregelmäßig und nicht gut in
die Platte eingeschmolzen, sondern wies Überschneidungen und ungenügenden Einbrand
auf. Die Lichtbogenspannung war beträchtlich höher als mit dem mit Cäsiumnitrat
behandelten Draht. Wegen der schlechten Regulierung der Lichtbogenlänge war es unmöglich,
eine verläßliche Lichtbogenspannungsablesung zu erhalten. Der kennzeichnende und
abschließende Unterschied zwischen dem Verfahren mit mit Cäsiumnitrat behandelten
Draht und dem unbehandelten Draht ist der, daß in dem ersten Fall die Abbrenngeschwindigkeit
des Drahtes 4,o6 m je Minute betrug,
während sie im zweiten Fall
oberhalb von 12,7 m je Minute lag, wodurch eine große Differenz in dem Wärmebetrag,
der in dem Draht als Kathode freigesetzt wurde, angezeigt wird. Darüber hinaus war
der Metalltransport bei Zuführung von Cäsiumnitrat gut, und das Verfahren war technisch
durchführbar. Beispiel III Das folgende ist ein weiteres Beispiel der Anwendung
der Erfindung auf Nichteisenmetalle. Es wurden Schweißungen auf einer Stahlplatte
.angebracht unter Verwendung eines Elektrodendrahtes aus einer Aluminiumbronzelegierung,
sowohl mit einem Draht, der mit Cäsium-Rubidiumchlorid behandelt wurde, als auch
mit einem unbehandelten Draht. Der Draht war eine Legierung, die angenähert 90/0
Aluminium und als Rest Kupfer enthielt. Der Draht hatte einen Durchmesser von 1,6
mm, und die Platte, auf. der die Schweißraupe angebracht wurde, war o,9 cm dicker
Flußstahl. Der Schweißapparat und das Schutzgas waren die zuvor beschriebenen. Das
Cäsium-Rubidiumchlorid wurde auf den Elektrodendraht in genau der gleichen Weise
wie im- Beispiel I aufgetragen. Mit dem Elektrodendraht, geschaltet als Kathode,
und einem Schweißstrom von 225 Ampere brannte der behandelte Draht mit einer Geschwindigkeit
von 5,3 m je Minute bei einer Lichtbogenspannung von Z8 Volt ab. Der Metalltransport
durch den Lichtbogen erfolgte in Tropfen und war schnell und gut. Die Schweißraupe
war recht gut in die Platte eingebrannt und hatte ein ovales Profil. Die Regulierung
des Lichtbogens war gut. Bei gleichen Bedingungen, aberniitunbehandeltem Drahtbetrug
dieAbbrennungsgeschwindigkeit 8,1 m je Minute bei einer Lichtbogenspannung von 2o
Volt. Das . Metall wanderte durch den Lichtbogen in größeren Tropfen, die gebildete
Schweißraupe war unregelmäßig und der Lichtbogen schlecht regulierbar. Das aufgetragene
Metall wuchs auf der Platte auf und schmolz nicht gut ein. Das Verfahren war technisch
nicht brauchbar. Wiederum wurde beträchtlich mehr Wärme in dem Draht als an der
Kathode entwickelt im Vergleich zum Draht mit etwas Cäsium-Rubidiumchlorid. Die
Verschiebung des Wärmegleichgewichts ist- auch im Lichtbogen bei positiver Elektrode
vorhanden. Wie oben angegeben, ist die an der Anode des Schweißlichtbogens entwickelte
Wärme praktisch unabhängig von der Emissionsfähigkeit des Anodenmaterials, daher
sollte die Abbrandgeschwindigkeit des Drahtes bei positiver Elektrode konstant sein,
ob gemäß der vorliegenden Erfindung Steuermetalle zugeführt werden oder nicht. Dies
wurde als richtig gefunden. Beispiel IV Zum Beispiel wurde eine Schweißung auf einer
Stahlplatte mit einem Elektrodendraht aus Weichstahl von 1,6 mm Durchmesser mit
einer kleinen, wie vorher beschrieben aufgebrachten Menge Bariumoxyd erstellt, wobei
der Draht die Anode in einem Metallschweißlichtbogen von Argon als Schutzgas war.
Dies wurde mit 1,4 m3 je Stunde durch eine z,8-cm-o-Düse zugeführt. , Eine =,5 cm
dicke Stahlplatte diente als Kathode. Es wurde mit einer Schweißgeschwindigkeit
von 25 cm je Minute geschweißt. Bei 325 Ampere betrugen die Abbrandgeschwindigkeit
des Drahtes 5,13 m je Minute und die Lichtbogenspannung 22 Volt. Der Lichtbogen
war ruhig und beständig bei guter Regulierung. Der Metalltransport erfolgte als
Sprühregen. Die Schweißraupe war gut ausgebildet und der Einbrand zufriedenstellend.
Es waren keine Anzeichen für ein positives Ionenbombardement vorhanden. Zum Vergleich
betrug bei einem unbehandelten Draht unter den gleichen Bedingungen die Abbrandgeschwindigkeit
5,3 m je Minute bei einer Lichtbogenspannung von 28 Volt. Der Metalltransport durch
den Lichtbogen erfolgte durch Sprühen. Die Schweißraupe war etwas flacher, und die
durch Wärme angegriffene Fläche war viel größer. Das auftretende Bombardement positiver
Ionen erzeugte die bekannte reinigende Wirkung auf der Platte. Beispiel V Als Beispiel
einer Schweißung mit einem Nichteisenmetall bei umgekehrter Polarität wurde mit
einem Aluminiumelektrodendraht von 1,6 mm Durchmesser ein Schweißversuch durchgeführt.
Das Schutzgas war Argon, das mit 2,1 m3 je Stunde in einem nicht turbulenten Strom
durch eine Düse von 2,5 cm 0 zugeführt wurde. Eine o,9 cm dicke Aluminiumplatte
war die Kathode. Wenn der Draht durch Auftragen einer kleinen Menge Cäsiumnitrat
wie oben behandelt war, betrug die Abbrandgeschwindigkeit des Drahtes 3,8 m je .
Minute bei 205 Ampere und zg Volt. Die resultierende Schweißung war gut.
Bei Verwendung eines unbehandelten Aluminiumdrahtes betrug die Abbrandgeschwindigkeit
des Drahtes unter gleichen Umständen 4,05 m je Minute bei 22 Volt. Die Schweißraupe
war dann etwas flacher. Die Lichtbogencharakteristik und der Metalltransport waren
gut.
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Wenn der Draht die Anode ist, hat das Steuermetall wenig oder keine
Wirkung auf die Abbrandgeschwindigkeit, vermindert aber die Lichtbogenspannung stark,
und die Gesamtlichtbogenleistung ist beträchtlich geringer. Da die Abbrandgeschwindigkeit
des Drahtes praktisch konstant ist, muß die in dem Werkstück entwickelte Wärme vermindert
sein. Dies ist genau das, was gemäß der Erfindung zu erwarten war, wenn das Werkstück
den besseren Russender von Thermionen darstellt. Somit wird bei positiver Elektrode
das dem Draht zugesetzte Steuermetall mit dem Schweißmetall zur Schweißstelle transportiert,
und die Emission von Thermionen an der Schweißstelle (Kathode) sind erhöht. Es wird
also die in dem Draht entwickelte Wärme wesentlich vermindert, wenn der Draht die
Kathode und das Werkstück die Anode ist, und die in dem Werkstück entwickelte Wärme
kann ebenfalls wesentlich reduziert werden, wenn der Draht die Anode und das Werkstück
die Kathode ist.
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Es wurde nun gefunden, daß nur sehr geringe Mengen Steuermetall erforderlich
sind, um die gewünschten Resultate zu bewirken. Eine chemische Analyse des mit Bariumoxyd
behandelten Stahldrahtes
(Beispiel IV) zeigte an, daß das Bahumoxyd
nur ungefähr 0,003
Gewichtsprozent des aufgetragenen Schweißmetalls beträgt.
Der behandelte Draht kann noch als »blanker« Draht angesehen werden, und seine Oberfläche
ist elektrisch leitend.
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Nicht nur kann, wie durch die vorstehenden Beispiele bewiesen ist,
nach der Erfindung das Wärmegleichgewicht des Metallschweißlichtbogens mit inertem
Schutzgas in einer gegebenen Richtung verschoben werden, sondern es kann auch eine
quantitative Regelung der Verschiebung des W ärmegleichgewichts durch richtige Auswahl
des Steuermetalls erreicht ;werden.
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Daß verschiedene Zusatzstoffe unter gleichen Bedingungen verschiedene
Wärmemengen an der Kathode entwickeln, wird durch die folgenden Versuchsdaten gezeigt.
Das vorher beschriebene Schweißverfahren mit negativer Elektrode unter Verwendung
einer mit Rubidiumcarbonat behandelten Stahlelektrode (s. Beispiel I) erzeugte eine
Abbrandgeschwindigkeit von etwa 3,75 m je Minute und eine Lichtbogenspannung von
2o Volt. Für unbehandelten Draht ergaben sich eine Abbrandgeschwindigkeit von etwa
9 m je Minute und eine Lichtbogenspannung von 28 Volt. Wenn man bei sonst gleichen
Bedingungen das Rubidiumcarbonat durch Cäsium-Rubidiumchlorid ersetzt, beträgt die
Abbrandgeschwindigkeit 4,13 m je Minute bei einer Lichtbogenspannung von 22 Volt.
Bei Kaliumcarbonat beträgt die Abbrandgeschwindigkeit etwa 6,63 m je Minute und
die Lichtbogenspannung 28 Volt.
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In gleicher Weise ergab das Schweißen von Aluminium mit negativer
Elektrode (s. Beispiel II) mit einem Draht, der mit Cäsiumnitrat behandelt war,
mit einer Abbrandgeschwindigkeit von etwa 4 m je Minute und eine Lichtbogenspannung
von 16 Volt. Wenn ein unbehandelter Draht verwendet wurde, war das Verfahren unbrauchbar,
und die Abbrandgeschwindigkeit lag oberhalb von 12,5 m je Minute. Wenn man das Cäsiumnitrat
durch RT-Gemisch« ersetzte (ein Gemisch der Oxyde von Lanthan und Cerium, das auch
andere seltene Erdoxyde in kleinen Mengen enthält), so wurde eine Abbrandgeschwindigkeit
von etwa 9,25 m je Minute und eine Lichtbogenspannung von 18 Volt erzeugt.
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In ähnlicher Weise betrug bei dem Beispiel III (gerade Polarität)
mit dem Eiektrodendraht aus der behandelten Aluminiumbronzelegierung die Abbrandgeschwindigkeit
5,25 m je Minute:- Die vergleichbare Abbrandgeschwindigkeit für unbehandelten Draht
betrug etwa 13 m je Minute. Wenn der mit Cäsium-Rubidiumchlorid behandelte Draht
durch einen mit Rubidiumcarbonat behandelten Draht ersetzt wurde, betrug die Abbrandgeschwindigkeit
etwa 5,83 m je Minute bei gleichen Schweißbedingungen.
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Die Steuermetalle sollen einen Schmelzpunkt haben, der tiefer als
der Siedepunkt des Kathodengrundmetalls ist, aber hinreichend hoch siedend oder
nicht flüchtig sein, um in der zusammengesetzten Kathodenoberfläche hinreichend
lange zu verbleiben, um die thermionische Emission auf der Kathodenoberfläche unter
den Schweißbedingungen zu erhöhen.
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Als Verbindungen der Steuermetalle, welche im Lichtbogen teilweise
oder ganz unter Freisetzung der Elemente dissoziieren, können z. B. Oxyde, Carbonate,
Borate, Phosphate, Nitrate, Silikate oder Halogenide verwendet werden. Auch Gemische
von zwei oder mehreren der Elemente und bzw. oder Verbindungen können verwendet
werden und sind oft besonders wirksam. Die Alkalimetälle sind Lithium, Natrium,
Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium. Die Erdalkalimetalle sind Calcium, Barium,
Strontium und Radium. Die seltenen Erden der Lathanreihe sind Cer, Praseodym, Neodym,
Promethium, Sainarium, Europium, Cadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium,
Thulium, Ytterbium und Lutetium (Cassiopejum). Die seltenen Erden der Actiniumreihe
sind Thorium, Protactinium, Uran, Neptunium, Plutonium, Americum und Curium. Viele
dieser Elemente und- deren Verbindungen sind selten und teuer und einige sind gefahrbringend
radioaktiv.
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Das gleiche Steuermittel ist nicht bei allen Werkstoffen und Elektrodendrahtzusammensetzungen
gleich wirksam. Dies wird durch die Fig. i bis 5 der Zeichnungen erläutert, die
an Hand der Änderungen der Abbrandgeschwindigkeit des Drahtes die Wirkung der verschiedenen
Steuermittel auf das Wärmegleichgewicht des Lichtbogens mit inertem Schutzgas zeigen.
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Die nachstehende Liste von Ionisationspotentialen einiger Steuerelemente
und der Austrittsarbeiten verschiedener Grundmetalle wurde der Literatur entnommen:
| Ionisationspotentiale Austrittsarbeit für |
| Thermionen |
| Emissionsmittel t Elektro- Grundmetall Elektro- |
| nenvolt I nenvolt |
| Lithium ..... 5,37 Magnesium .. 3,78 |
| Natrium ..... 5,i2 Aluminium .. 4,o8 |
| Kalium ...... 4,32 Kupfer ...... 4,33 |
| Rubidium ... 4,Z6 Eisen ....... 4,48 |
| Cäsium ...... 3,87 |
| Strontium ... 5,67 |
| Barium ...... 5,Z9 |
| Scandium .... 6,7 |
| Yttrium .... 6,5 |
| Lanthan ..... 5159 |
| Thorium ..... 1 5,25 |
Wenngleich nach dieser Liste anscheinend Cäsium der beste Aussender von Thermionen
an zusammengesetzten Oberflächen für die Grundmetalle ist, so ist zu beachten, daß
Cäsium einen niedrigen Siedepunkt besitzt und an den hochsiedenden Grundmetallen,
wie Eisen unter den Schweißbedingungen schlecht zurückgehalten wird. Cäsium ist
auf den niedriger siedenden Metallen wie Aluminium sehr wirksam.
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Die Steuermetalle mit niedrigeren Ionisationspotentialen sind besonders
günstig bei Schutzgasen wie Helium, die verhältnismäßig schlechte Ionisationseigenschaften
besitzen.
Da die Zugabe der Steuermetalle kontinuierlich erfolgt,
werden diese auf der zusammengesetzten Kathodenoberfläche kontinuierlich erneuert
und brauchen daher nur eine kurze wirksame Lebensdauer zu haben. Steuermetalle mit
Siedepunkten beträchtlich unter den Temperaturen der Schweißkathode bewirken bei
kontinuierlicher Zuführung eine Aufrechterhaltung einer zusammengesetzten Kathodenoberfläche
mit reichlicher Emission von Thermionen, selbst wenn das Kathodengrundmetall schnell
vom Elektrodendraht zum Schweißgut gefördert wird.
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Die Aktivierung des Steuermittels muß stattfinden, sobald der Draht
in den Lichtbogen eingeführt wird. Wenn das Steuermittel als Verbindung eingeführt
wird, soll diese nicht so stabil sein, daß sie nicht wenigstens teilweise unter
Bildung des freien Steuermetalls auf der Elektrodenoberfläche dissoziiert. Auf der
anderen Seite soll die zugeführte Verbindung sich vorzugsweise nicht so schnell
zersetzen, daß eine vollständige Verdampfung des Steuermetalles erfolgt, bevor es
die Kathodenoberfläche erreichen und an der Oberfläche als Ionen adsorbiert werden
kann. In der Fig. 6 sind die Geschwindigkeiten der Thermionenemission von zwei Grundmetallen
(Aluminium und Eisen) und von zwei Emissionsmitteln (Cäsium und Barium) sowie von
Kathodenoberflächen, die mit Cäsium oder Barium versehen sind, gegen die Temperatur
aufgetragen. Diese Kurven sind nur eine Erläuterung der Erfindung, aber nicht quantitativ
genau. Die Austrittsarbeit einer zusammengesetzten Oberfläche ist niedriger als
die des Grundmetalls oder des Steuermetalls für sich. Wenngleich das Überzugsmetall
auf dem Grundmetall weit oberhalb seiner Siedetemperatur adsorbiert festgehalten
wird, geht diese Schicht bei genügend hoher Temperatur infolge der Verdampfung schnell
verloren und dann ist die Emission von Thermionen im wesentlichen identisch mit
der des Grundmetalls allein. Ferner ist auch die Emissionskurve für Wolfram oder
für Thoriumoxyd auf Wolfram angegeben, um diesen Effekt zu zeigen. Am Kopf der Tafel
sind die Schmelz- und Siedepunkte für Aluminium und Eisen angegeben. Da die Elektrodentemperaturen
des Schweißlichtbogens für diese Metalle bei der Metallichtbogenschweißung innerhalb
der angegebenen Bereiche liegen müssen, ist es ersichtlich, daß Cäsium am wirksamsten
auf Eisen ist.
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Das Steuermittel kann auch der Schmelze bei der Drahtherstellung zugegeben
werden unter Bildung einer Legierung oder eines Gemisches mit diesem. Dieses ergibt
eine homogene Verteilung des Steuermittels im Draht und erübrigt eine gesonderte
Nachbehandlung des Drahtes.
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Beispiel VI Es wird z. B. ein »Mischmetall« zu 43,2 kg geschmolzenem
Flußstahl in einer Menge von i,82 kg Mischmetall je Tonne Stahlschmelze zugesetzt.
Das Mischmetall besteht aus 530/, Cer, 330/, Lanthan, 1,50/, Eisen
und Rest seltene Erden. Die anfallende Legierung (etwas Mischmetall ging durch Verdampfung
verloren) wurde zu einem Draht von 1,6 mm Durchmesser ausgezogen und als eine sich
verbrauchende Elektrode in einem Metallichtbogenschweißverfahren mit inertem Schutzgas
mit negativer Elektrode verwendet. Mit einem Argonschutzgasstrom von 2,1 mg je Stunde
durch eine 2,54-cm-0-Düse wurde auf einer o,9 cm dicken Stahlplatte eine Schweißung
mit einer Schweißgeschwindigkeit von 25 cm j e Minute hergestellt. Bei einem Schweißstrom
von 31o Amp. betrug die Drahtabbrandgeschwindigkeit 3,55 m je Minute und die Lichtbogenspannung
25 Volt gegenüber einer Abbrandgeschwindigkeit von etwa 4,49 m je Minute für einen
Draht ohne Mischmetallzusatz. Die Schweißergebnisse für den Draht mit Mischmetallzusatz
waren gut. Der Metalltransport erfolgte als Sprühregen und die Schweißraupe war
gut geformt.
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Beispiel VII Ein Schweißlichtbogen mit negativer Elektrode wurde zwischen
einem unbehandelten Elektrodendraht aus Flußstahl von 1,6 mm Durchmesser als Kathode
und einer o,9 cm (s/e Zoll) dicken Stahlplatte als Anode erzeugt. Bariumoxyd wurde
dem Lichtbogen als feines trockenes Pulver im Schutzgas (Argon) zugeführt, das mit
2,1 ms je Stunde durch eine 2,54-cm-O-Düse zugeleitet wurde. Bei 3oo Ampere brannte'
der Draht mit 4,85 m j e Minute ab, und die Lichtbogenspannung betrug 22 Volt. Bei
Verwendung eines Schutzgases ohne Zusatz von Bariumoxydstaub betrugen die Abbrandgeschwindigkeit
des Drahtes 7,88 m je Minute und die Lichtbogenspannung 30 Volt.
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Ein Schweißlichtbogen mit positiver Elektrode gab unter den gleichen
Bedingungen mit Bariumoxydstaub im Schutzgas ähnliche Resultate wie mit Bariumoxyd,
aufgetragen auf dem Elektrodendraht, bei positiver Elektrode (Beispiel IV). Neben
den oben beschriebenen Weisen zur hinführung des Schutzstoffes in den Lichtbogen
für die hier erwähnten Zwecke, kann das Steuermittel unter gewissen Bedingungen
auch auf einem Hilfsfülldraht ohne Stromzuführung angebracht sein, der dem Schweißgut
zugeführt wird, oder der Hilfestoff kann auf dem Werkstück selbst angebracht werden.