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Verfahren zum Wechselstrom-Schutzgas-Liehtbogenschweißen mit einer
sich verbrauchenden Drahtelektrode unter Verwendung von Steuermetallen Die Erfindung
betrifft eine blanke, abschmelzende Drahtelektrode, welche Spuren von Steuermetallen
enthält, zur Wechselstrom-Schutzgas-Schweißung mit Edelgasen als Schutzgas. ' Es
ist bekannt, daß beim Schutzgas-Schweißen 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 in freier
Atmosphäre. Für solche Steuermetalle, welche die Ionisierung erhöhen, werden im
- allgemeinen Alkali- und Erdalkalimetalle verwendet; weiterhin sind schon Lanthan
und Cer vorgeschlagen worden.
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Es ist nun gefunden worden, daß bestimmte Stoffe 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.
Eine weitere Erfindung
betrifft eine blanke, abschmelzende Drahtelektrode, welche Spuren von Alkali und/oder
Erdalkalirnetallen als Steuermetall enthält, zur Wechselstrom-Lichtbogen-Schutzgasschweißung
mit Edelgasen als Schutzgas, und die Erfindung besteht darin, daß beim Schweißen
von Nichteisenmetallen :das Steuermetall aus Rubidium, z. B. in Form von Rubidiumcarbonat,
besteht. Diese Zusatzstoffe werden so ausgewählt und so dem Lichtbogen zugesetzt,
daß sie die Austrittsarbeit der Kathode erniedrigen, die Liöhtbogensba.bilität verbessern,
bereits bei normaler, niedriger Leerlaufspannung einen. Wechselstromlichtbogen ermöglichen
und .einen stabilen, konzentrierten Kathodenfleck ergeben. Es wird angenommen, daß
während der Wechselstromperiode bei negativer Elektrode die Stabilität zum Teil
mindestens durch diese Konzentration des Kathodenflecks verbessert wird, solange
die Tropfen bzw. der Sprühregen von geschmolzenem Metall beim Verlassen des Drahtes
vollständig im Plasma eingetaucht bleiben. Die Steuermittel können außerdem die
Drahtabbrandgeschwindügkeit, Einbrand sowie Ausmaß und Gestalt der Schweißraupe
ändern.
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Ein Wechselstromliehtbogen wird nach jeder Halbperiode ausgelöscht,
und die Elektraden vertauschen somit ständig ihre Polarität bei der Stromumkehr.
Als Hauptproblem ergibt sich hierbei die Notwendigkeit der glatten Wiederzündung
des Lichtbogens bei jeder Halbperiode. Die Wiederzündung des Lichtbogens ist von
der Kathodenemission und der Ionisation der Lichtbogensäule abhängig.
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Es hat sich nun gezeigt, daß Stoffe mit guter Thermionenemission sehr
wirksame Kathoden mit einem niedrigen Kathodenspannungsabfall bilden. Solche Stoffe
senden bei Schweißtemperatur bei niedrigem Kathodenspannungsabfall die von dem Lichtbogen
benötigten Elektronen aus. Dieser Effekt fehlt bei schwachen Thermionensendern bzw.
»Kaltkathoden«-Materialien, wobei unter den Begriff »Kaltkathoden«-Materialien die
meisten der üblichen Baustoffe; wie Aluminium, Kupfer, Nickel, Eisen, Magnesium,
Titan usw., und deren Legierungen fallen, die normalerweise in großen Mengen geschweißt
werden. Die Elektronenemission von»Kaltkathoden«-Materialienisthauptsächlich abhängig
von der »Feldemiss:ion«. Solche Emilssion hört jedesmal plötzlich auf, wenn der
Lichtbogen gelöscht bzw. unterbrochen wird und fordert eine sehr hohe Leerlaufspannung,
um eine Glühentladung zu erzeugen, bevor der Lichtbogen wiedergezündet werden kann.
Die übliche niedrige Wechselstroml,eerlaufspannung von etwa 75 Volt reicht nicht
aus und ihält deshalb einen Wechselstrom-Metallschweißlichtbogen in Inertgas bei
Kaltkathodenmatervalien nicht aufrecht. Thermionenemittierende Stoffe andererseits
senden auch unter diesen Bedingungen kräftig Elektronen aus. In.diesem Fall ist
eine Wiederzündung des Lichtbogens bei normaler niedriger Lichtbogenspannung leicht
möglich.
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Sehr geringe Beträge des Zusatzstoffes genügen, um die gewünschten
Ergebnisse zu erzielen. Aus den beschriebenen Aufbringungsmethoden ist ersichtlich,
daß auf dem fertigen Draht nur sehr wenig Steuermittel verbleibt. Größere Mengen
würden Schwierigkeiten bei der Zuführung ergeben. Der behandelte Draht kann noch
als ein nackter Draht betrachtet werden, und seine Oberfläche ist elektrisch leitend.
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Die seltenen Erden der Lanthanreihe sind Cer, Praseodym, Neodym, Promethium,
Samarium, Europium, Cadolinium, Terbium, Dysprosium, Halmium, Erbium, Thulium, Ytterbium,
Lutetium. Seltene Erdmetaile der Actiniumreihe sind Thorium, Protactiniuni, Uran,
Neptunium, Plutonium, Americum und Curium.
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Im nachfolgenden wird eine der Literatur entnommene Aufstellung von
Ionisationspotentialen einiger Emissionselemente und Austrittsarbeiten verschiedener
Grundmetalle angegeben.
| Ionisationspotential |
| Emissionsmittel Elektronenvolt |
| Lithium ................ 5,37 |
| Natrium . . . . . . . . . . . . . . . 5112 |
| Kalium ................ 4,32 |
| Rubs,dium .............. 4,16 |
| Caesium ................ 3,87 |
| Strontium . . . . . . . . . . . . , . 5,67 |
| Barium ................ 5,19 |
| Scandium .............. 6,7 |
| Yttrium ................ 6;5 |
| Lanthan ................ 5,59 |
| Thorium ............... 5,25 |
| Thermionische Austrittsarbeit |
| Grundmetall Elektronenvolt |
| Magnesium ... .. ........ 3,78 |
| Aluminium ............. 4.,08 |
| Kupfer ... .. ............ 4.,33 |
| Eisen .................. 4,48 |
Schweißlichtbogen werden normalerweise bei im wesentlichen Atmosphärendruck betrieben.
Dies ist bedeutsam, weil der Siedepunkt des Steuermetalls hoch liegen soll, um es
'hinreichend lange auf der Kathodenoberfläche zu halten; da das Steuermittel dem
Lichtbogen fortlaufend zugeführt wird, wird es auf der Kathodenoberfläche fortlaufend
ergänzt und braucht daher nur eine kurze tatsächliche Lebensdauer haben; Steuermetalle
mit Siedepunkten beträchtlich unter den SGhwe'ißkathodentemperaturen können geeignet
sein, selbst wenn das Kathodengrundnietall während des Schweißvorgangs durch den
Übergang des Metalls von dem Elektrodendraht zu dem Schweißgut auf dem Werkstück
sehr schnell entfernt wird.
Beispiel i Es wurde in einer Charge
von 43 kg geschmolzenem Flußeisen in.' einer Menge von i,8 kg Mischmetall aus 52'%
Cer, 331/o Lanthan, 1,5 % Eisen und der Rest aus seltenen Erdmetallen je Tonne geschmolzenen
Eisens zugesetzt. Die erhaltene Legierung wurde zu einem i,6-mm-Draht gezogen, der
als Elektrode bei einem Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren mit Wechselstrom benutzt
wurde. Mit einem Argonschutzgasstrom von 2,1 cbm/h durch eine 25-mm-Düse wurde auf
einem io mm dicken Stahlblech mit einer Schweißgeschwindigkeit von
250 mm/min
eine Schweißung ausgeführt. Bei einem Lichtbogenschweißstrom von 23o Amp., einer
Lichtbogenspannung von 24 Volt und 75 Volt Leerlaufspannung betrug die Drahtabbrandgeschwindigkeit
3,56 m/min.
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Der Versuch ergab bei einer niedrigen Leerlaufspannung von 75 Volt
einen stabilisierten Wechselstromlich.tbogen. Es wurde eine gute, für Wechselstrom
typische Sprühübertragung mit guter Regelung beobachtet. Es war kein Spritzen sichtbar.
Beispiel e Ähnliche Resultate wurden auch mit Zusätzen bei nicht aus Eisen bestehenden
Elektrodendrähten erzielt. Zum Be'ispi'el kann Elektrodendraht aus Aluminium mit
einem Zusatz von Rubidiumca.rbonat geschweißt werden. Es wuvde eine Schw-eißung
auf einer Aluminiumlegierung mit Schweißargon als Schutzgas ausgeführt, das als
ein nicht turbulenter Strom von 2,1 cbm/h durch eine 25-mm-Düse zugeführt wurde.
Der Elektrodendraht war ein i,6-mm-Draht aus Aluminium, auf den eine geringe Menge
von Rubidiumcarbonat aufgebracht war. Das Blech, auf dem die Schweißung ausgeführt
wurde, bestand aus Aluminium und hatte eine Stärke von io mm. Die Schweißgeschwindigkeit
betrug 25o mm/min. Unter diesen Bedingungen und bei einer Leerlaufspannung von 75
Volt betrug die Lichtbogenspannung 17 Volt, der Lichtbogenstrom 3oo Amp. und die
Drahtabbrandgeschwindigkeit 7,9 m/min. Der Versuch ergab mit einer niedrigen Leerlaufspannung
von 75 Volt einen stabilisierten Wechselstromlichtbogen. Es wurde ein guter, für
Wechselstrom typischer Sprühübergang mit guter Regulierung beobachtet. Es wurde
eine Schweißraupe mit ovalem Umriß gebildet.
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Wenngleich es zur Zeit vorgezogen wird, die Steuermittel auf oder
in die Drahtoberfläche aufzubringen bzw. einzubetten oder dem Draht einzuverleiben,
können diese Steuermetalle auch in anderer Weise zugeführt werden.