WO2012156161A1 - Gasentladungslampe und elektrode für eine gasentladungslampe - Google Patents

Gasentladungslampe und elektrode für eine gasentladungslampe Download PDF

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WO2012156161A1
WO2012156161A1 PCT/EP2012/056932 EP2012056932W WO2012156161A1 WO 2012156161 A1 WO2012156161 A1 WO 2012156161A1 EP 2012056932 W EP2012056932 W EP 2012056932W WO 2012156161 A1 WO2012156161 A1 WO 2012156161A1
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electrode
discharge lamp
gas discharge
electrode rod
wall
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PCT/EP2012/056932
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Norbert Magg
Markus Stange
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Osram Ag
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    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/24—Manufacture or joining of vessels, leading-in conductors or bases
    • H01J9/28—Manufacture of leading-in conductors

Definitions

  • the invention relates to an electrode according to the preamble of claim 1 or of a gas discharge lamp according to the preamble of claim 11.
  • a gas discharge lamp hereinafter also to be understood as a high-pressure gas discharge lamp or high-pressure gas discharge lamp, contains a pair of electrodes, which preferably consists of tungsten.
  • An electrode head must withstand temperatures near the melting point of tungsten in this range.
  • electrodes for high-wattage gas discharge lamps which, for the reasons mentioned, have a solid electrode head
  • this is preferably rotated from a solid material whose diameter must correspond to at least one maximum diameter of the electrode head. Integrally with the electrode head and the electrode rod is rotated out of the solid material, resulting in a ⁇ he heblichen material loss due to the rotated from the electrode rod down material when the electric ⁇ denstab is thinner than the electrode head.
  • the electrode In order to minimize the loss of material, it is known to insert the electrode from two parts, whereby the two parts, the electrode head and the electrode rod, can be manufactured from semi-finished products of different diameters.
  • WO 2007/138092 A2 shows for this purpose a multipart Elek ⁇ trode and a joining process for their production.
  • the electrode has an electrode rod, which is integrally connected via a resistor ⁇ Buttwelded or a pressure welding process to the electrode head.
  • the object of the present invention is therefore to provide an electrode with increased strength or a Gasentla ⁇ tion lamp with an electrode with increased strength. This object is achieved by an electrode according to claim 1 or a gas discharge lamp according to the award ⁇ claim 11th
  • Discharge lamp an electrode according to the invention for a gas discharge ⁇ lamp, especially for a high or subsidiary horrgas-, has a solid electrode head and connected to this electrode rod which has a guide portion of the charge vessel through a wall of a decision of the gas discharge lamp feasible or in this wall fusible or can be gripped by the wall.
  • a structure at least ei ⁇ nes portion of the electrode rod or the whole of the electrode rod to increase a strength of the electrode rod is optimized.
  • the structure is a grating ⁇ or crystal structure or a lattice structure or a surface structure of the section or of the electrode rod.
  • This optimization of the structure makes it possible to increase at gegebe ⁇ nem cross-section of the optimized section or of the op-optimized ⁇ electrode rod whose strength insbesonde ⁇ re against plastic deformation or breakage or for a required strength to the cross-section ver ⁇ smaller.
  • the inventive optimization of the structure allows diameter ratios of an electrode head diameter to an electrode rod diameter of about 5.
  • a diameter ratio of a conventional electrode without an optimized structure of the section or the electrode rod of only about 3.8 thus, the strength of the portion or the electrode rod and thus the electrode is increased without a mate ⁇ rialverstärkung and without an additional device for reinforcement.
  • the electrode head is not integrally made with the electrode rod but connected or joined, the structural optimization of the electrode rod can be done independently of the electrode head, which significantly facilitates mass production of optimized electrode rods, as in optimization steps of Elekt ⁇ rodenstabes no Measures must be taken to protect or protect the sensitive electrode head.
  • a Rommein for simultaneous rounding of edges of a plurality of electrode rods is possible, which brings a considerable reduction of the production ⁇ effort.
  • connection of the electrode head to the electrode rod is preferably formed by welding or soldering, in particular by resistance butt welding, butt welding, laser butt welding or friction welding.
  • Such a structure optimized electrode rod with it ⁇ höhter strength for a given cross-section is in particular ⁇ sondere for a high-wattage discharge lamp with a power from about 250 watts advantageous since especially in this application case, a large electrode head must be held by the electrode rod and this gleichzei ⁇ tig as stable as possible and should be thin.
  • the solid electrode head is preferably made of solid material by means of a machining process, for example by turning. In addition, it can also be wrapped by a wire helix.
  • the lattice structure preferably has doping with a dopant for its optimization.
  • a dopant for its optimization.
  • a brittleness of the portion of the electrode rod can be reduced or its strength can be increased.
  • ⁇ DERS particular in a cold state of the electrode has a breaking strength of the electrode rod is thus increased, which minimizes pour stanchions by ER in ⁇ play transport damage at the electrode.
  • the dopant or the dopant preferably contains Ka ⁇ lium.
  • a concentration of the doping is at most 100 ppm, so that a voids formation in the region of a welded connection, via which the section is connected to the electrode head, is limited. Most preferably, the concentration is at most 70 ppm.
  • the electrode rod consists predominantly of tungsten, since tungsten of the occurring temperature withstand the discharge arc well. At lower Anfor ⁇ demands on the temperature resistance of the electrode rod may alternatively consist predominantly of molybdenum.
  • section and the guide section are spaced together, so that the structure of the electrode rod is optimized in a range in which the electrode rod or its Füh ⁇ reasoning section switched can be guided through the wall of the discharge vessel of the gas discharge lamp or in said wall fusible or can be gripped by the wall.
  • This allows an increase in the strength of the Elektrodensta ⁇ bes taking into account the interaction of the guide portion of the electrode rod with the wall of the discharge vessel.
  • an optimization of the surface structure with a texture is advantageous.
  • At least the guide portion of the electrode rod in a very special ⁇ DERS preferred development of the entire electrode bar is made from wire, in particular made of extruded or of rolled wire. It is of particular advantage that due to the drawing or rolling the microstructure ⁇ structure of a radial outer region of the wire is finer ⁇ grainy or compacted than the microstructure of a radial inner region of the wire. This represents an optimized microstructure, by which the strength of the section or the electrode rod is increased.
  • an effective optimization of the surface structure is given, if this has a plurality of longitudinal grooves approximately parallel to a longitudinal axis of the Ab-section.
  • a preferred surface structure be ⁇ already produced in the manufacture of the wire simply by pulling.
  • the electrode withstands high temperatures, and a life of the gas discharge lamp, in which the electrode is used to increase, there is at least a portion of the electrode head, in particular a From ⁇ cut, to which a discharge arc can be attached, high-purity tungsten.
  • a concentration of an impurity of the tungsten is preferably less than 10 ppm, particularly preferably less than or equal to 5 ppm, very particularly preferably less than 1 ppm, which results in an operation of the electrode in a very low rate of evaporation of electrode material and thus only to a minimum Blackening of the discharge vessel leads. This also stei ⁇ siege a life of the gas discharge lamp.
  • a gas discharge lamp according to the invention in particular a high-pressure or high-pressure gas discharge lamp, has a discharge vessel in which two electrodes are arranged approximately diametrically. At least one of the two electrodes has thereby a solid electrode head and with this particular material fit, for example by welding or soldering ⁇ SEN, associated electrode rod. This has a guide portion which is guided through a wall of the discharge vessel or which is melted into this wall or which is encompassed by this wall.
  • a structure of the electric ⁇ denstabes or at least a portion of the electrode rod to increase a strength of the electrode rod is optimized according to the invention. The structure is a grating ⁇ or crystal structure or a lattice structure or a surface structure of the section or of the electrode rod.
  • This optimization of the structure makes it possible to increase at gegebe ⁇ nem cross-section of the electrode rod and the portion whose strength, particularly against plastic Verfor ⁇ mung or break or reduce the cross-section for a required strength.
  • the strength of the section or of the electrode rod and thus of the electrode without a material reinforcement and oh ⁇ ne an additional amplifying device is increased.
  • the optimization of the structure can be done independently of the electrode head, resulting in a mass production of optimized electrode rods significantly facilitated, since in optimization steps no measures to protect or protect the sensitive electrode head must be made.
  • a Rommein for simultaneous rounding of edges of a plurality of electrode rods is possible, which brings a significant reduction of toyssauf ⁇ wall with it.
  • the connection of the Elektrodenkop ⁇ fes with the electrode rod is preferably formed by welding or soldering, in particular by resistance butt welding, butt welding, laser butt welding or friction welding.
  • the gas discharge lamp before ⁇ Trains t acidwattig and preferably has services from about 250 watts.
  • the lattice or crystal structure of the electrode rod or its section is optimized by doping with a dopant, so that, for example, a brittleness of the electrode rod and the portion down ⁇ set and a breaking strength is increased.
  • the doping here preferably has potassium.
  • a concentration of the doping is preferably at most 100 ppm, particularly preferably at most 70 ppm.
  • the electrode rod is particularly preferably mainly made of tungsten, but may alternatively be, for example, at lower demands on the temperature resistance, mainly of Mo ⁇ lybdenum exist.
  • the microstructure is optimized such that a structure of a radially outer portion of the electrode rod, or of the portion of fine-grained or condense ⁇ ter as a structure of a radial inner portion of the Electrode rod or the section, whereby he ⁇ increased edge hardness is possible and an inclination of Elek ⁇ trodenstabes for bending under thermal cycling, for example, during short switching cycles or frequent switching operations of the gas discharge lamp is reduced.
  • the surface structure is optimized in such a way that an average Rau ⁇ integral is less than transverse to this direction in direction of a longitudinal axis of the section. This is particularly advantageous if the section of this cut with the Stanfordsab ⁇ spatially coincident, and this is sealed into the wall.
  • a displacement of the surface Guide # ⁇ approximately portion against the wall of the Entladungsge ⁇ fäßes is facilitated in this way and terialien a shear stress between the wall and the electrode rod due to the difference ⁇ instantaneous temperature coefficient of expansion of the two ma- reduced.
  • the surface structure of the guide section has a multiplicity of longitudinal grooves extending approximately parallel to a longitudinal axis of the guide section.
  • the guide portion is embraced by a sleeve or arranged in this, and the sleeve is melted or inserted into the wall.
  • the guide portion is supported with its surface axially displaceable, which also lowers a mechanical load on the wall due to shear stress between the wall and the electrode rod.
  • the Surface structure of the guide portion is provided with longitudinal grooves.
  • groove crests are preferably in contact with an inner circumferential surface of the sleeve, as a result of which a shear stress between the electrode rod and the sleeve is further reduced.
  • the sleeve consists ⁇ be vorzugt predominantly made of molybdenum, which allows even at high tem peratures ⁇ no sintering with the guide portion and with the electrode rod.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of an electrode with an optimi ⁇ th surface structure of an electrode rod in a side view.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a second exemplary embodiment of an electrode with a lattice structure of an electrode rod optimized by doping in a lateral view
  • FIG. 3 is a schematic section of the electrode of the second embodiment according to FIG. 2;
  • Fig. 6 is a schematic microsection of an electrode egg nes third embodiment with an undo ⁇ oriented electrode rod
  • FIG. 7 is a schematic enlarged polished grinding ⁇ image of the electrode of the thirdheldsbei ⁇ game according to Figure 6; a schematic enlarged cut etched ⁇ forming the electrode of the thirdheldsbei ⁇ game according to the figures 6 and 7 and Fig. 8.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of an electrode 1.
  • the electrode 1 has a solid electrode head 2 and further comprises an electrode rod 4, which is made of a precisely drawn to a required end diameter of the electrode rod 4 wire.
  • the semifinished product of the wire is made by a powder metallurgical sintering process from high-purity tungsten powder.
  • the electrode 1 be ⁇ is in its entirety made of tungsten with a concent ration ⁇ of impurities of less than 10 ppm.
  • the electrode head 2 and the electrode rod 4 are joined via a butt-welding method at a connection point 6.
  • the use of the drawn wire for the electrode rod 4 has the particular advantage that a microstructure in a radial edge region of the electrode rod 4 is optimized or a density is increased by the drawing process , In addition, by pulling a Gehe ⁇ structure of an inner region of the electrode rod 4 is optimized. As a result, the entire electrode rod 4 has increased strength and, with reference to the size of the electrode head 2, can be designed with a comparatively small cross-section or diameter.
  • a largest cross-section of the electrode head 2 has an outer diameter of 1.8 mm, an outer diameter of the electrode pin is 0.5 mm.
  • a further advantage of using drawn wire to manufacture the electrode rod 4 becomes clear when looking at a loss of material shown in dashed lines in FIG. 1, which would occur if the electrode 1 were rotated in a conventional manner from solid material.
  • the electrode rod 4 further has along its entire length an optimized by longitudinal grooves 8 Oberflä ⁇ Chen structure, which were already introduced when pulling the wire to produce the electrode rod 4 via a pulling tool.
  • An average roughness in the direction ei ⁇ ner longitudinal axis 10 of the electrode rod 4 is klei ⁇ ner than transversely to the longitudinal axis 10th
  • Figure 2 shows a schematic representation of a second embodiment of an electrode 101 with a through Doping optimized grating structure of an electrode rod 104 in a side view.
  • the electrode 101 additionally has a helix 120, of which a solid electrode head 102 of the electrode 101 is encompassed.
  • the electrode head 102 extends from a connection point 106 arranged on the right in FIG. 2, at which the electrode head 102 is joined to the electrode rod 104 via a butt welding process, up to a hemispherical electrode head tip shown on the left in FIG.
  • the Ge Listel 120 is formed in a sepa ⁇ rate process, then pushed onto the electrode ⁇ head 102 and arranged by laser welding or at end portions of the fabric Dels 120 ⁇ laser weld spots attached to the electrode head 102nd Alternatively, the coil 120 may be attached to the electrode head 102 by a more cost effective resistance welding process.
  • the electrode head 102 and the coil 120 are made of tungsten having a concentration of impurities of less than 10 ppm.
  • the electrode rod 104 is made of drawn tungsten wire. Deviating from the electrode rod (see Fig. 4, Fig. 1) of the first embodiment according to Figure 1, this wire has no separately optimized surface structure in the form of longitudinal grooves (see Fig. 8, Fig. 1). However, the electrode rod 104 in the radial edge region and in the inner region also has the optimized microstructure discussed in the first exemplary embodiment according to FIG. 1 due to the drawing process of the wire.
  • the electrode rod 104 has an over its entire length ne doping 122 with potassium - symbolized by dots in Figure 2 - on.
  • the potassium was introduced in an upstream powder metallurgy manufacturing step.
  • a concentration of potassium is 70 ppm, which limits voids formation in an area of joint 106 during butt welding to an acceptable level.
  • Figures 3 to 5 show micrographs of Inventions according doped electrode 101 of the secondariessbei ⁇ game according to figure 2 to illustrate their structure.
  • FIG. 3 shows the electrode head 102 turned out of solid material with a diameter of 1.8 mm.
  • the wire of the electrode rod 104 was pulled down to a diameter of 0.5 mm in a standard drawing process, consists of tungsten and is homogeneous with the ge Stahlgestabi ⁇ l inconvenienceden potassium doping 122nd (see Fig. 2) provided.
  • a melting zone having modified structural properties as a result of butt welding is formed.
  • FIG. 4 shows the region of the cut according to FIG. 3 around the connection point 106 in a polished state. Especially good are as black spots represent voids ⁇ Asked in a radial outer area of a region B of the weld and the heat affected zone he ⁇ recognizable.
  • FIG. 5 shows an enlarged and additionally etched area of the grinding according to FIGS. 3 and 4 around the connection point 106.
  • FIGS. 6 to 8 micrographs of a third embodiment of an electrode 201 according to the invention are shown in FIGS. 6 to 8 whose electrode rod 204 is not doped and deviates from the second exemplary embodiment shown in FIGS. 2 to 5 consists of high purity tungsten.
  • the geometric basic dimensions of the electrode 201 are the same as those of the electrode of the second embodiment according to FIG. 2.
  • FIG. 7 shows an enlarged section of a polished ground pattern of the ground joint according to FIG. 6.
  • no black cavities are discernible, which illustrates that in a region B 'of the welded connection parts 206 of the electrode rod 204 and the electric ⁇ the head 202 no cavities or voids are formed.
  • FIG. 8 shows an enlarged and additionally etched region of the cut according to FIG. 7 around the connection point 206.
  • FIGS. 3 to 8 thus illustrate that doping of an electrode rod during subsequent welding or strong heat action on the doped material can lead to voids formation or weakening of the joint. A concentration of the doping must therefore be optimized. Experiments showed that the junction, taking into account a maximum doping concentration of 70 to 100 ppm in the electrode rod is no loss of strength un ⁇ terworfen.
  • At least one of the structures is optimized. In all embodiments, this optimization does not only extend to a section of the electrode rods 4; 104; 204, but on the entire length of these electrode rods 4; 104; 204. It is noted that the invention also electron claimed trodenstäbe in which a structure is single ⁇ Lich a portion of the electrode rod optimized. This section may also coincide spatially with a guide section, which is guided in a built-in state of the electrode through a wall of the discharge vessel of the gas discharge lamp or which is melted into the wall or which is encompassed by the wall.
  • Optimization of a lattice structure or “optimization of a microstructure,” or “optimization of a surface structure,” at least the portion of the electrode rod or of the entire electrode rod.
  • the step "Optimization of the grating structure” is preferably carried out by a doping of the portion of the electric ⁇ denstabes or all of the electrode rod or a preform of the electrode rod with a dopant. Sawn vorzugt takes place, the doping by the addition of doping ⁇ substance in a powder-metallurgical process step. Particularly preferred is the dopant potassium or it has at least potassium.
  • a concentration of the Do ⁇ animal material is preferably less than about 100 ppm. More preferably, it is less than about 70 ppm.
  • the step "optimization of the microstructure” or the step “optimization of the surface structure” preferably takes place by pulling or rolling a semifinished product of the electrode rod into a wire.
  • the optimized surface structure preferably has a roughness which is smaller in the longitudinal direction than in the transverse direction.
  • the surface structure is optimized by longitudinal grooves.
  • the microstructure is preferably optimized in a radial edge region of the semifinished product or the wire by a finer grain or a compacted structure.

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Abstract

Offenbart ist eine Elektrode für eine Gasentladungslampe mit einem massiven Elektrodenkopf (2) und einem mit diesem verbundenen Elektrodenstab (4) mit einem Führungsabschnitt, der durch eine Wandung eines Entladungsgefäßes der Gasentladungslampe führbar oder in diese Wandung einschmelzbar oder von der Wandung umgreifbar ist. Erfindungsgemäß ist eine Struktur zumindest eines Abschnittes des Elektrodenstabes zur Erhöhung von dessen Festigkeit optimiert. Die Struktur ist dabei eine Gitterstruktur oder eine Gefügestruktur oder eine Oberflächenstruktur (8) des Abschnittes. Offenbart ist weiterhin eine Gasentladungslampe mit einem Entladungsgefäß und mit zwei darin angeordneten Elektroden, von denen zumindest eine einen wie oben beschrieben ausgeführt ist.

Description

Beschreibung
Gasentladungslampe und Elektrode für eine Gasentladungs¬ lampe
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Elektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder von einer Gasentladungs- lampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Eine Gasentladungslampe, im Folgenden ist darunter auch eine Hochdruckgasentladungslampe oder Höchstdruckgasent- ladungslampe zu verstehen, enthält ein Elektrodenpaar, das bevorzugt aus Wolfram besteht. Je größer die Leistung oder Wattage der Gasentladungslampe, umso größer und da¬ mit auch schwerer sind üblicherweise die bevorzugt aus Wolfram bestehenden Elektroden, damit diese einer mit der hohen Leistung verbundenen hohen Stromstärke und der daraus resultierenden hohen Temperatur standhalten können. Dies gilt insbesondere für die Köpfe der Elektroden, an denen an sich gegenüberliegenden Endabschnitten der Ent- ladungsbogen ansetzt. Ein Elektrodenkopf muss in diesem Bereich Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt von Wolfram standhalten. Da bei diesen hohen Temperaturen vermehrt Bestandteile des Elektrodenmaterials in die Gasatmosphäre des Entladungsgefäßes abdampfen, die eine geringere Schmelztemperatur als Wolfram aufweisen, ist eine möglichst hohe Reinheit zumindest des Elektrodenkopfes wich¬ tig, um Niederschlag in Form von Schwärzungen des Entla- dungsgefäßes und einer damit verbundenen verringerten Lebensdauer der Gasentladungslampe entgegenzuwirken. Ein Elektrodenstab bzw. ein Führungsabschnitt des Elekt¬ rodenstabes am anderen Endabschnitt jedes Elektrodenkop¬ fes wird in einem geeigneten thermischen Prozess mit einer Glasmatrix des Entladungsgefäßes der Gasentladungs- lampe gasdicht verschmolzen (z.B. Einschmelz- oder Quetschverfahren) . Dabei kommt überwiegend Quarzglas mit einer hohen Temperaturfestigkeit zum Einsatz. Aufgrund sehr unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten des Quarzglases und des Wolframs treten beim Verschmelzen oder im Betrieb der Gasentladungslampe Spannungen an der Grenzschicht der Verschmelzung auf, die zu Sprüngen an der Grenzschicht zwischen dem Elektrodenstab und der Glasmatrix führen können. Außerdem bleiben beim Verschmelzen Hohlräume zwischen Glas und Elektrodenstab zu- rück. Beide Phänomene - Hohlräume und Sprünge - können die Stabilität und die Dichtigkeit des Entladungsgefäßes beeinträchtigen und sind umso größer und zahlreicher, je größer ein Querschnitt bzw. Durchmesser des Elektrodenstabes ist. Aus diesem Grund versucht man, dessen Quer- schnitt möglichst klein zu halten.
Aufgrund der Sprödigkeit hochreinen Wolframs führt eine Kombination aus schwerem Elektrodenkopf und kleinem Elek- trodenstabquerschnitt jedoch zu einer reduzierten Stabi¬ lität der Elektrode, was insbesondere bei hochwattigen Lampen mit besonders großem Elektrodenkopf ein Problem darstellt. Die reduzierte Stabilität kann zu einer erhöh¬ ten Brüchigkeit des Elektrodenstabes oder einem Verbiegen des Elektrodenstabes führen. Letzteres wird insbesondere bei häufigen Schaltzyklen im Bereich der Einschmelzung beobachtet. Stand der Technik
Dem Konflikt zwischen der Stabilität der Elektrode bzw. des Elektrodenstabes und der Stabilität des Entladungsge¬ fäßes wird im Stand der Technik mit einem Kompromiss im Bereich der Einschmelzung des Elektrodenstabes im Entla¬ dungsgefäß begegnet. Im Falle großer Elektrodenkopfdurch- messer kommen demgemäß angepasst große Elektrodenstab- durchmesser zum Einsatz.
Bei Elektroden für hochwattige Gasentladungslampen, die aus den genannten Gründen einen massiven Elektrodenkopf aufweisen, wird dieser bevorzugt aus einem Vollmaterial gedreht, dessen Durchmesser mindestens einem maximalen Durchmesser des Elektrodenkopfes entsprechen muss. Einstückig mit dem Elektrodenkopf wird aus dem Vollmaterial auch der Elektrodenstab herausgedreht, was zu einem er¬ heblichen Materialverlust aufgrund des vom Elektrodenstab herunter gedrehten Materials führt, sobald der Elektro¬ denstab dünner als der Elektrodenkopf ist.
Um den Materialverlust zu minimieren ist es bekannt, die Elektrode aus zwei Teilen zu fügen, wodurch die beiden Teile, der Elektrodenkopf und der Elektrodenstab, aus Halbzeugen unterschiedlichen Durchmessers gefertigt werden können.
Die WO 2007/138092 A2 zeigt hierzu eine mehrteilige Elek¬ trode und ein Fügeverfahren zu deren Fertigung. Die Elektrode hat einen Elektrodenstab, der über ein Widerstands¬ stumpfschweiß- oder ein Pressschweißverfahren mit dem Elektrodenkopf stoffschlüssig verbunden wird. Zwar kann so der Materialverlust durch Verwendung unterschiedlicher Halbzeuge verringert werden, nachteilig an dieser Lösung ist jedoch weiterhin, dass mit zunehmender Leistung der Gasentladungslampe für die die Elektrode vorgesehen ist, und der damit verbundenen notwendigen Größe des Elektrodenkopfes auch ein Elektrodenstab mit zunehmend großem Querschnitt notwendig ist.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Elektrode mit erhöhter Festigkeit oder eine Gasentla¬ dungslampe mit einer Elektrode mit erhöhter Festigkeit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrode gemäß dem Anspruch 1 oder eine Gasentladungslampe gemäß dem An¬ spruch 11.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Eine erfindungsgemäße Elektrode für eine Gasentladungs¬ lampe, insbesondere für eine Hoch- oder Höchstdruckgas- entladungslampe, hat einen massiven Elektrodenkopf und einen mit diesem verbundenen Elektrodenstab, der einen Führungsabschnitt hat, der durch eine Wandung eines Ent- ladungsgefäßes der Gasentladungslampe führbar oder in diese Wandung einschmelzbar oder von der Wandung umgreifbar ist. Erfindungsgemäß ist eine Struktur zumindest ei¬ nes Abschnittes des Elektrodenstabes oder der ganze Elektrodenstab zur Erhöhung einer Festigkeit des Elektro- denstabes optimiert. Die Struktur ist dabei eine Gitter¬ oder Kristallstruktur oder eine Gefügestruktur oder eine Oberflächenstruktur des Abschnittes bzw. des Elektrodenstabes . Diese Optimierung der Struktur ermöglicht es, bei gegebe¬ nem Querschnitt des optimierten Abschnittes bzw. des op¬ timierten Elektrodenstabes dessen Festigkeit, insbesonde¬ re gegen plastische Verformung oder Bruch zu erhöhen bzw. für eine geforderte Festigkeit den Querschnitt zu ver¬ kleinern. Die erfindungsgemäße Optimierung der Struktur ermöglicht Durchmesserverhältnisse eines Elektrodenkopf- durchmessers zu einem Elektrodenstabdurchmesser von etwa 5. Demgegenüber steht ein Durchmesserverhältnis einer herkömmlichen Elektrode ohne eine optimierte Struktur des Abschnittes bzw. des Elektrodenstabes von lediglich ca. 3,8. Somit ist die Festigkeit des Abschnittes bzw. des Elektrodenstabes und damit der Elektrode ohne eine Mate¬ rialverstärkung und ohne eine zusätzliche Vorrichtung zur Verstärkung erhöht. Aufgrund der Mehrteiligkeit der Elektrode, der Elektrodenkopf ist mit dem Elektrodenstab nicht einstückig gefertigt sondern verbunden bzw. gefügt, kann die strukturelle Optimierung des Elektrodenstabes dabei unabhängig vom Elektrodenkopf erfolgen, was eine Massenfertigung von optimierten Elektrodenstäben maßgeblich erleichtert, da bei Optimierungsschritten des Elekt¬ rodenstabes keine Maßnahmen zum Schutz oder zur Schonung des empfindlichen Elektrodenkopfes getroffen werden müssen. So ist beispielsweise ein Rommein zur gleichzeitigen Verrundung von Kanten einer Vielzahl von Elektrodenstäben ermöglicht, was eine erhebliche Reduzierung des Ferti¬ gungsaufwandes mit sich bringt.
Die Verbindung des Elektrodenkopfes mit dem Elektroden¬ stab ist bevorzugt durch Schweißen oder Löten, insbeson- dere durch Widerstandsstumpfschweißen, Pressstumpfschweißen, Laserstumpfschweißen oder Reibschweißen gebildet. Ein derartig strukturoptimierter Elektrodenstab mit er¬ höhter Festigkeit bei vorgegebenem Querschnitt ist insbe¬ sondere für eine hochwattige Gasentladungslampe mit einer Leistung ab etwa 250 Watt vorteilhaft, da besonders in diesem Anwendungsfall ein großer Elektrodenkopf vom Elektrodenstab gehalten werden muss und dieser gleichzei¬ tig möglichst stabil und dünn sein sollte. Der massive Elektrodenkopf ist bevorzugt aus Vollmaterial über ein spanendes Verfahren, beispielsweise durch Drehen, heraus- gearbeitet. Er kann zusätzlich auch noch von einer Drahtwendel umwickelt sein.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Gitterstruktur zu ihrer Optimierung bevorzugt eine Dotierung mit einem Dotierstoff auf. Auf diese Weise kann insbesondere eine Sprödigkeit des Abschnittes des Elektrodenstabes herabgesetzt bzw. dessen Festigkeit erhöht werden. Beson¬ ders in einem kalten Zustand der Elektrode ist somit eine Bruchfestigkeit des Elektrodenstabes erhöht, was bei¬ spielsweise Transportschäden an der Elektrode durch Er- schütterungen minimiert.
Die Dotierung bzw. der Dotierstoff enthält bevorzugt Ka¬ lium.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Konzentration der Dotierung maximal 100 ppm, so dass eine Lunkerbil- dung im Bereich einer Schweißverbindung, über die der Abschnitt mit dem Elektrodenkopf verbunden ist, beschränkt ist. Besonders bevorzugt ist die Konzentration maximal 70 ppm.
Vorteilhafter Weise besteht der Elektrodenstab überwie- gend aus Wolfram, da Wolfram der auftretenden Temperatur des Entladungsbogens gut standhält. Bei geringeren Anfor¬ derungen an die Temperaturfestigkeit kann der Elektrodenstab alternativ dazu überwiegend aus Molybdän bestehen.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung fallen der Abschnitt und der Führungsabschnitt räumlich zusammen, so dass die Struktur des Elektrodenstabes in einem Bereich optimiert ist, in dem der Elektrodenstab bzw. dessen Füh¬ rungsabschnitt durch die Wandung des Entladungsgefäßes der Gasentladungslampe führbar oder in diese Wandung ein- schmelzbar oder von der Wandung umgreifbar ist. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Festigkeit des Elektrodensta¬ bes unter Berücksichtigung der Wechselwirkung des Führungsabschnittes des Elektrodenstabes mit der Wandung des Entladungsgefäßes. Bei dieser Weiterbildung ist insbeson- dere eine Optimierung der Oberflächenstruktur mit einer Textur vorteilhaft.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Oberflä¬ chenstruktur bzw. die Textur des Abschnittes eine mittle¬ re Rauheit aufweist, die in Richtung einer Längsachse des Abschnittes kleiner ist als quer zu dieser Richtung. Fallen der Abschnitt und der Führungsabschnitt beispielswei¬ se räumlich zusammen, ist es möglich, dem Elektrodenstab bzw. dessen Führungsabschnitt im Bereich der Wandung des Entladungsgefäßes eine axiale Beweglichkeit zu ermögli¬ chen und Scher- oder Reibspannungen zwischen dem Elektrodenstab und dem Entladungsgefäß zu minimieren, was zu ei¬ ner verminderten Neigung zum Verbiegen des Elektrodenstabes und auch zu einer verringerten Versagenswahrscheinlichkeit des Entladungsgefäßes führt. In einer bevorzugten Weiterbildung ist zumindest der Führungsabschnitt des Elektrodenstabes, in einer ganz beson¬ ders bevorzugten Weiterbildung der komplette Elektrodenstab, aus Draht, insbesondere aus gezogenem oder aus ge- walztem Draht, gefertigt. Dabei ist von besonderem Vorteil, dass aufgrund des Ziehens oder Walzens die Gefüge¬ struktur eines radialen Außenbereiches des Drahtes fein¬ körniger oder verdichteter ist als die Gefügestruktur eines radialen Innenbereiches des Drahtes. Dies stellt eine optimierte Gefügestruktur dar, durch die die Festigkeit des Abschnittes bzw. des Elektrodenstabes erhöht ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist eine effektive Optimierung der Oberflächenstruktur gegeben, wenn diese eine Vielzahl von etwa parallel zu einer Längsachse des Ab- Schnittes verlaufenden Längsrillen aufweist. Insbesondere bei Verwendung von Draht zur Ausbildung des Elektrodenstabes ist eine solche bevorzugte Oberflächenstruktur be¬ reits bei der Fertigung des Drahtes einfach durch Ziehen erzeugbar . Damit die Elektrode höchsten Temperaturen standhält, und um eine Lebensdauer der Gasentladungslampe, in der die Elektrode verwendbar ist, zu erhöhen, besteht zumindest ein Abschnitt des Elektrodenkopfes, insbesondere ein Ab¬ schnitt, an dem ein Entladungsbogen ansetzbar ist, aus hochreinem Wolfram. Dabei ist eine Konzentration einer Verunreinigung des Wolframs bevorzugt kleiner als 10 ppm, besonders bevorzugt kleiner gleich 5 ppm, ganz besonders bevorzugt kleiner gleich 1 ppm, was in einem Betrieb der Elektrode in einer sehr geringen Abdampfungsrate von Elektrodenmaterial resultiert und damit zu nur minimalen Schwärzungen des Entladungsgefäßes führt. Auch dies stei¬ gert eine Lebensdauer der Gasentladungslampe.
Eine erfindungsgemäße Gasentladungslampe, insbesondere eine Hoch- oder Höchstdruckgasentladungslampe, hat ein Entladungsgefäß, in dem zwei Elektroden etwa diametral angeordnet sind. Zumindest eine der beiden Elektroden hat dabei einen massiven Elektrodenkopf und einen mit diesem insbesondere stoffschlüssig, beispielsweise durch Schwei¬ ßen oder Löten, verbundenen Elektrodenstab. Dieser weist einen Führungsabschnitt auf, der durch eine Wandung des Entladungsgefäßes geführt ist oder der in diese Wandung eingeschmolzen ist oder der von dieser Wandung umgriffen ist. Erfindungsgemäß ist dabei eine Struktur des Elektro¬ denstabes oder zumindest eines Abschnittes des Elektro- denstabes zur Erhöhung einer Festigkeit des Elektrodenstabes optimiert. Die Struktur ist dabei eine Gitter¬ oder Kristallstruktur oder eine Gefügestruktur oder eine Oberflächenstruktur des Abschnittes bzw. des Elektrodenstabes . Diese Optimierung der Struktur ermöglicht es, bei gegebe¬ nem Querschnitt des Elektrodenstabes bzw. des Abschnittes dessen Festigkeit, insbesondere gegen plastische Verfor¬ mung oder Bruch zu erhöhen bzw. für eine geforderte Festigkeit den Querschnitt zu verkleinern. Somit ist die Fe- stigkeit des Abschnittes bzw. des Elektrodenstabes und damit der Elektrode ohne eine Materialverstärkung und oh¬ ne eine zusätzliche Verstärkungsvorrichtung erhöht. Auf¬ grund der Mehrteiligkeit der Elektrode mit gefügtem Elek¬ trodenkopf und Elektrodenstab kann die Optimierung der Struktur dabei unabhängig vom Elektrodenkopf erfolgen, was eine Massenfertigung von optimierten Elektrodenstäben maßgeblich erleichtert, da bei Optimierungsschritten keine Maßnahmen zum Schutz oder zur Schonung des empfindlichen Elektrodenkopfes getroffen werden müssen. So ist beispielsweise ein Rommein zur gleichzeitigen Verrundung von Kanten einer Vielzahl von Elektrodenstäben ermöglicht, was eine erhebliche Reduzierung des Fertigungsauf¬ wandes mit sich bringt. Die Verbindung des Elektrodenkop¬ fes mit dem Elektrodenstab ist bevorzugt durch Schweißen oder Löten, insbesondere durch Widerstandsstumpfschwei- ßen, Pressstumpfschweißen, Laserstumpfschweißen oder Reibschweißen gebildet. Die Gasentladungslampe ist bevor¬ zugt hochwattig und weist bevorzugt Leistungen ab etwa 250 Watt auf.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Gasentladungslampe ist die Gitter- oder Kristallstruktur des Elektrodenstabes bzw. dessen Abschnittes über eine Dotierung mit einem Dotierstoff optimiert, so dass beispielsweise eine Sprö- digkeit des Elektrodenstabes bzw. des Abschnittes herab¬ gesetzt und eine Bruchfestigkeit erhöht ist. Die Dotie- rung weist dabei bevorzugt Kalium auf. Eine Konzentration der Dotierung beträgt bevorzugt maximal 100 ppm, besonders bevorzugt maximal 70 ppm. Der Elektrodenstab besteht besonders bevorzugt überwiegend aus Wolfram, kann aber alternativ dazu, beispielsweise bei geringeren Anforde- rungen an die Temperaturfestigkeit, überwiegend aus Mo¬ lybdän bestehen.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Gasentladungslampe ist die Gefügestruktur derart optimiert, dass ein Gefüge eines radialen Außenbereiches des Elektroden- stabes oder des Abschnittes feinkörniger oder verdichte¬ ter ist als ein Gefüge eines radialen Innenbereiches des Elektrodenstabes oder des Abschnittes, wodurch eine er¬ höhte Randhärte ermöglicht ist und eine Neigung des Elek¬ trodenstabes zur Verbiegung unter thermischer Wechselbelastung, beispielsweise bei kurzen Schaltzyklen bzw. häu- figen Schaltvorgängen der Gasentladungslampe, vermindert ist .
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Oberflächenstruktur derart optimiert, dass eine mittlere Rau¬ heit in Richtung einer Längsachse des Abschnittes kleiner als quer zu dieser Richtung ist. Besonders vorteilhaft ist dies, wenn der Abschnitt dabei mit dem Führungsab¬ schnitt räumlich zusammenfällt und dieser in die Wandung eingeschmolzen ist. Bei einer thermischen Ausdehnung des Führungsabschnittes im Betrieb der Gasentladungslampe ist auf diese Weise eine Verschiebung der Oberfläche des Füh¬ rungsabschnittes gegenüber der Wandung des Entladungsge¬ fäßes erleichtert und eine Scherspannung zwischen der Wandung und dem Elektrodenstab aufgrund der unterschied¬ lichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der beiden Ma- terialien vermindert. Die Oberflächenstruktur des Führungsabschnittes weist in einer bevorzugten Weiterbildung eine Vielzahl von etwa parallel zu einer Längsachse des Führungsabschnittes verlaufenden Längsrillen auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Führungsab- schnitt von einer Hülse umgriffen bzw. in dieser angeordnet, und die Hülse ist in die Wandung eingeschmolzen oder eingesetzt. In der Hülse ist der Führungsabschnitt mit seiner Oberfläche axial verschieblich abgestützt, was ebenso eine mechanische Belastung der Wandung aufgrund von Scherspannungen zwischen der Wandung und dem Elektrodenstab absenkt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Oberflächenstruktur des Führungsabschnittes mit Längsrillen versehen ist. Dadurch stehen bevorzugt Rillenberge mit einer Innenmantelfläche der Hülse in Kontakt, wodurch eine Scherspannung zwischen dem Elektrodenstab und der Hülse weiter vermindert ist. Die Hülse besteht dabei be¬ vorzugt überwiegend aus Molybdän, das auch bei hohen Tem¬ peraturen keine Versinterung mit dem Führungsabschnitt bzw. mit dem Elektrodenstab zulässt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von 3 Ausführungs- beispielen und 8 schematischen Figuren näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Elektrode mit einer optimier¬ ten Oberflächenstruktur eines Elektrodenstabes in einer seitlichen Ansicht;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Aus¬ führungsbeispiels einer Elektrode mit einer durch Dotierung optimierten Gitterstruktur eines Elektrodenstabes in einer seitlichen Ansicht; Fig. 3 ein schematisches Schliffbild der Elektrode des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2;
Fig. 4 ein schematisches vergrößertes poliertes Schliff¬ bild der Elektrode des zweiten Ausführungsbei¬ spiels gemäß den Figuren 2 und 3; Fig. 5 ein schematisches vergrößertes geätztes Schliff¬ bild der Elektrode des zweiten Ausführungsbei¬ spiels gemäß den Figuren 2 bis 4 ;
Fig. 6 ein schematisches Schliffbild einer Elektrode ei- nes dritten Ausführungsbeispiels mit einem undo¬ tierten Elektrodenstab;
Fig. 7 ein schematisches vergrößertes poliertes Schliff¬ bild der Elektrode des dritten Ausführungsbei¬ spiels gemäß Figur 6; und Fig. 8 ein schematisches vergrößertes geätztes Schliff¬ bild der Elektrode des dritten Ausführungsbei¬ spiels gemäß den Figuren 6 und 7.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Elektrode 1. Die Elektrode 1 hat einen massiven Elektrodenkopf 2 und weiterhin einen Elektrodenstab 4, der aus einem genau auf einen benötigten Enddurchmesser des Elektrodenstabes 4 gezogenen Draht gefertigt ist. Das Halbzeug des Drahtes ist durch ein pulvermetallurgisches Sinterverfahren aus hochreinem Wolframpulver gefertigt. Die Elektrode 1 be¬ steht in ihrer Gesamtheit aus Wolfram mit einer Konzent¬ ration von Verunreinigungen von kleiner 10 ppm. Der Elektrodenkopf 2 und der Elektrodenstab 4 sind über ein Stumpfschweißverfahren an einer Verbindungsstelle 6 ge- fügt. Im Vergleich zu einer herkömmlichen einteiligen Elektrode, die aus einem einzigen Vollmaterialstück herausgedreht ist, hat die Verwendung des gezogenen Drahtes für den Elektrodenstab 4 den besonderen Vorteil, dass durch den Ziehprozess eine Gefügestruktur in einem radialen Randbereich des Elektrodenstabes 4 optimiert bzw. eine Dichte erhöht ist. Zudem ist durch das Ziehen eine Gefü¬ gestruktur eines Innenbereiches des Elektrodenstabes 4 optimiert. Der gesamte Elektrodenstab 4 weist dadurch ei- ne erhöhte Festigkeit auf und kann bezogen auf die Größe des Elektrodenkopfes 2 mit einem vergleichsweise kleinen Querschnitt bzw. Durchmesser ausgelegt sein.
Gemäß Figur 1 hat ein größter Querschnitt des Elektrodenkopfes 2 einen Außendurchmesser von 1,8 mm, ein Außen- durchmesser des Elektrodenstiftes beträgt 0,5 mm.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung gezogenen Drahtes zur Herstellung des Elektrodenstabes 4 wird bei Betrachtung eines in Figur 1 gestrichelt dargestellten Materialverlustes deutlich, der anfallen würde, wenn die Elektrode 1 auf herkömmliche Weise aus Vollmaterial gedreht würde.
Der Elektrodenstab 4 weist weiterhin entlang seiner Gesamtlänge eine durch Längsrillen 8 optimierte Oberflä¬ chenstruktur auf, die bereits beim Ziehen des Drahtes zur Erzeugung des Elektrodenstabes 4 über ein Ziehwerkzeug eingebracht wurden. Eine mittlere Rauheit in Richtung ei¬ ner Längsachse 10 des Elektrodenstabes 4 ist dabei klei¬ ner als quer zur Längsachse 10.
Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 zeigt Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Elektrode 101 mit einer durch Dotierung optimierten Gitterstruktur eines Elektrodenstabes 104 in einer seitlichen Ansicht.
Die Elektrode 101 hat zusätzlich ein Gewendel 120, von dem ein massiver Elektrodenkopf 102 der Elektrode 101 um- griffen ist. Der Elektrodenkopf 102 erstreckt sich von einer in Figur 2 rechts angeordneten Verbindungsstelle 106, an der der Elektrodenkopf 102 mit dem Elektrodenstab 104 über ein Stumpfschweißverfahren gefügt ist, bis zu einer in Figur 2 links dargestellten halbkugelförmigen Elektrodenkopfspitze . Das Gewendel 120 ist in einem sepa¬ raten Prozess geformt, anschließend auf den Elektroden¬ kopf 102 aufgeschoben und durch Laserschweißen bzw. an Endabschnitten des Gewendels 120 angeordnete Laser¬ schweißspots am Elektrodenkopf 102 befestigt. Alternativ dazu kann das Gewendel 120 mit einem kostengünstigeren Widerstandsschweißverfahren am Elektrodenkopf 102 befestigt sein. Der Elektrodenkopf 102 und das Gewendel 120 bestehen aus Wolfram mit einer Konzentration von Verunreinigungen von kleiner 10 ppm. Der Elektrodenstab 104 besteht aus gezogenem Wolframdraht. Dieser Draht weist abweichend vom Elektrodenstab (vgl. 4, Fig. 1) des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 keine gesondert optimierte Oberflächenstruktur in Form von Längsrillen (vgl. 8, Fig. 1) auf. Jedoch weist auch der Elektrodenstab 104 im radialen Randbereich und im Innenbereich die im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 besprochene optimierte Gefügestruktur aufgrund des Ziehverfahrens des Drahtes auf.
Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 weist der Elektrodenstab 104 über seine gesamte Länge ei- ne Dotierung 122 mit Kalium - in Figur 2 durch Punkte symbolisiert - auf. Um einen möglichst homogen dotierten Draht zu erhalten, wurde das Kalium in einem vorgelagerten pulvermetallurgischen Fertigungsschritt eingebracht. Eine Konzentration des Kaliums beträgt 70 ppm, wodurch eine Lunkerbildung in einem Bereich der Verbindungsstelle 106 beim Stumpfschweißen auf ein akzeptables Maß begrenzt ist .
Die Figuren 3 bis 5 zeigen Schliffbilder der erfindungs- gemäß dotierten Elektrode 101 des zweiten Ausführungsbei¬ spiels gemäß Figur 2 zur Veranschaulichung von deren Gefüge .
Figur 3 zeigt den aus Vollmaterial mit einem Durchmesser von 1,8 mm herausgedrehten Elektrodenkopf 102. Der Draht des Elektrodenstabes 104 wurde in einem Standardziehverfahren auf einen Durchmesser von 0,5 mm heruntergezogen, besteht aus Wolfram und ist homogen mit der gefügestabi¬ lisierenden Kaliumdotierung 122 (vgl. Fig. 2) versehen. Im Bereich der Verbindungsstelle 106 zwischen dem Elekt- rodenkopf 102 und dem Elektrodenstab 104 ist eine Schmelzzone mit modifizierten Gefügeeigenschaften als Folge des Stumpfschweißens ausgebildet.
Figur 4 zeigt den Bereich des Schliffes gemäß Figur 3 um die Verbindungsstelle 106 herum in einem polierten Zu- stand. Besonders gut sind dabei als schwarze Flecken dar¬ gestellte Lunker in einem radialen Außenbereich eines Bereiches B der Schweißung bzw. der Wärmeeinflusszone er¬ kennbar . Figur 5 zeigt einen vergrößerten und zusätzlich geätzten Bereich des Schliffes gemäß den Figuren 3 und 4 um die Verbindungsstelle 106 herum.
Es sind drei grob durch Strichpunktlinien gegeneinander abgrenzbare Bereiche A, B und C erkennbar. Im Bereich A des Elektrodenkopfes 102, der an den Bereich B der Verbindungsstelle 106 angrenzt, sind große polygonale Körner ausgebildet. Im Bereich B, in dem während des Stumpfschweißens ein starker Wärmeeinfluss gegeben war, fand eine Rekristallisation der Körner statt. Im Bereich C des an den Bereich B angrenzenden dotierten Elektrodenstabes 104 sind die Körner des Gefüges vorwiegend gestreckt und verzahnt. Aufgrund der Dotierung des Elektrodenstabes 104 mit 70 ppm Kalium sind im radialen Außenbereich des Be- reichs B im Bereich der Schweißung zudem schwärzliche Hohlräume bzw. Lunker erkennbar.
Zur Darstellung eines Unterschiedes im Gefüge von dotierten zu nicht dotierten Elektrodenstäben sind in den Figuren 6 bis 8 Schliffbilder eines dritten Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Elektrode 201 gezeigt, deren Elektrodenstab 204 abweichend vom in den Figuren 2 bis 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel nicht dotiert ist und aus hochreinem Wolfram besteht. Die geometrischen Grundmaße der Elektrode 201 sind dabei die gleichen wie die der Elektrode des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2.
Das in Figur 6 gezeigte komplette Schliffbild der Elekt¬ rode 201 mit undotiertem Elektrodenstab 204 weist wenige leicht erkennbare Unterschiede zum korrespondierenden Schliffbild der Elektrode 101, die einen dotierten Elekt¬ rodenstab 104 hat (vgl. Fig. 3), auf.
Erst bei Betrachtung der Figuren 7 und 8 werden die Unterschiede verdeutlicht. Figur 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines polierten Schliffbildes des Schliffes gemäß Figur 6. Es sind im Gegensatz zum zweiten (dotierten) Ausführungsbeispiel (vgl. Fig. 4) keine schwarzen Aushöhlungen erkennbar, was verdeutlicht, dass in einem Bereich B' der Schweißverbin- dungssteile 206 des Elektrodenstabes 204 und des Elektro¬ denkopfes 202 keine Hohlräume oder Lunker ausgebildet sind .
Figur 8 zeigt einen vergrößerten und zusätzlich geätzten Bereich des Schliffes gemäß Figur 7 um die Verbindungs- stelle 206 herum.
Analog zu Figur 5 sind dabei drei grob durch Strichpunkt¬ linien gegeneinander abgrenzbare Bereiche A' , B' und C erkennbar. In den an den Bereich B' der Schweißung angrenzenden Bereichen A' des Elektrodenkopfes 202 und C des Elektrodenstiftes 204 sind polygonale Körner ausge¬ bildet. Im Bereich B' , in dem während des Stumpfschwei¬ ßens ein starker Wärmeeinfluss gegeben war, fand eine Re¬ kristallisation der Körner statt. Die Figuren 3 bis 8 verdeutlichen somit, dass eine Dotierung eines Elektro- denstabes bei nachfolgender Schweißung bzw. starker Wärmeeinwirkung auf das dotierte Material zu Lunkerbildung bzw. zur Schwächung der Verbindungsstelle führen kann. Eine Konzentration der Dotierung ist daher zu optimieren. Versuche ergaben, dass die Verbindungsstelle unter Beach- tung einer maximalen Dotierungskonzentration von 70 bis 100 ppm im Elektrodenstab keinem Festigkeitsverlust un¬ terworfen ist.
Bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen ist zumindest eine der Strukturen (Gitterstruktur, Gefügestruktur, Oberflächenstruktur) optimiert. Diese Optimierung erstreckt sich in allen Ausführungsbeispielen nicht nur auf einen Abschnitt der Elektrodenstäbe 4; 104; 204, sondern auf die gesamte Länge dieser Elektrodenstäbe 4; 104; 204. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch Elek- trodenstäbe beansprucht, bei denen eine Struktur ledig¬ lich eines Abschnittes des Elektrodenstabes optimiert ist. Dieser Abschnitt kann zudem räumlich mit einem Führungsabschnitt zusammenfallen, der in einem eingebauten Zustand der Elektrode durch eine Wandung des Entladungs- gefäßes der Gasentladungslampe geführt ist oder der in die Wandung eingeschmolzen ist oder der von der Wandung umgriffen ist.
Aus dem Stand der Technik sind Durchmesserverhältnisse bis etwa 3,8 bekannt. Herkömmliche Elektroden haben bei- spielsweise folgende Durchmesser: Elektrodenkopf = 1,5 mm / Elektrodenstift = 0,4 mm; was einem Durchmesserverhält¬ nis von 3,6 entspricht.
Unabhängig von den gezeigten Ausführungsbeispielen sind demgegenüber mit einem erfindungsgemäß optimierten Elekt- rodenstab bzw. Abschnitt des Elektrodenstabes größere Durchmesserverhältnisse von etwa 5,0 erreichbar. Ein Bei¬ spiel: Elektrodenkopf = 1,5 mm / Elektrodenstift = 0,3 mm, was einem Durchmesserverhältnis von 5,0 entspricht. Die Anmelderin behält sich vor, auf ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäß strukturoptimierten Elektrode eine Patentanmeldung zu richten.
Dieses auf alle Ausführungsbeispiele anwendbare erfin- dungsgemäße Verfahren zur Fertigung einer Elektrode für eine Gasentladungslampe, insbesondere für eine Hoch- oder Höchstdruckgasentladungslampe, weist zur Erhöhung einer Festigkeit zumindest eines Abschnittes eines Elektroden¬ stabes oder des gesamten Elektrodenstabes zumindest einen der folgenden Schritte auf:
„Optimierung einer Gitterstruktur," oder „Optimierung einer Gefügestruktur", oder „Optimierung einer Oberflächenstruktur", zumindest des Abschnittes des Elektrodenstabes oder des gesamten Elektrodenstabes.
Der Schritt „Optimierung der Gitterstruktur" erfolgt bevorzugt durch eine Dotierung des Abschnittes des Elektro¬ denstabes oder des gesamten Elektrodenstabes oder eines Halbzeugs des Elektrodenstabes mit einem Dotierstoff. Be- vorzugt erfolgt die Dotierung durch Beigabe des Dotier¬ stoffes in einem pulvermetallurgischen Verfahrensschritt. Besonders bevorzugt ist der Dotierstoff Kalium oder er weist zumindest Kalium auf. Eine Konzentration des Do¬ tierstoffes ist dabei bevorzugt kleiner als etwa 100 ppm. Besonders bevorzugt ist sie kleiner als etwa 70 ppm. Der Schritt „Optimierung der Gefügestruktur" oder der Schritt „Optimierung der Oberflächenstruktur" erfolgt bevorzugt durch ein Ziehen oder ein Walzen eines Halbzeugs des Elektrodenstabes zu einem Draht. Die optimierte Ober- flächenstruktur weist dabei bevorzugt eine Rauheit auf, die in Längsrichtung kleiner ist als in Querrichtung. Besonders bevorzugt wird die Oberflächenstruktur durch Längsrillen optimiert. Die Gefügestruktur wird bevorzugt in einem radialen Randbereich des Halbzeugs bzw. des Drahtes durch eine feinere Körnung oder ein verdichtetes Gefüge optimiert.

Claims

Ansprüche
1. Elektrode für eine Gasentladungslampe mit einem mas¬ siven Elektrodenkopf (2; 102; 202) und einem mit die¬ sem verbundenen Elektrodenstab (4; 104; 204), der einen Führungsabschnitt hat, der durch eine Wandung ei¬ nes Entladungsgefäßes der Gasentladungslampe führbar oder in diese Wandung einschmelzbar oder von der Wandung umgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ei¬ ne Struktur zumindest eines Abschnittes des Elektro¬ denstabes (4; 104; 204) zur Erhöhung einer Festigkeit des Elektrodenstabes (4; 104; 204) optimiert ist, wo¬ bei die Struktur eine Gitterstruktur oder eine Gefügestruktur oder eine Oberflächenstruktur ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Gitterstruktur eine Dotierung (122) aufweist.
3. Elektrode nach Anspruch 2, wobei die Dotierung (122) Kalium aufweist.
4. Elektrode nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Konzentration der Dotierung (122) maximal 100 ppm ist.
5. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektrodenstab (4; 104; 204) überwiegend aus Wolfram besteht.
6. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abschnitt und der Führungsabschnitt räum¬ lich zusammenfallen.
7. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur des Abschnittes eine mittlere Rauheit aufweist, die in Richtung einer Längsachse (10) des Abschnittes kleiner ist als quer zu dieser Richtung.
8. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der Führungsabschnitt aus Draht ge¬ bildet ist.
9. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur des Abschnittes eine
Vielzahl von etwa parallel zu einer Längsachse (10) des Führungsabschnittes verlaufenden Längsrillen (8) aufweist .
10. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei zumindest ein Abschnitt des Elektrodenkop¬ fes (2; 102; 202) aus hochreinem Wolfram besteht, und wobei eine Konzentration einer Verunreinigung kleiner als 10 ppm ist.
11. Gasentladungslampe mit einem Entladungsgefäß und mit zwei darin etwa diametral angeordneten Elekt¬ roden, wobei zumindest eine der Elektroden einen massiven Elektrodenkopf und einen mit diesem verbundenen Elektrodenstab hat, der einen Führungsabschnitt auf¬ weist, der durch eine Wandung des Entladungsgefäßes geführt ist oder der in die Wandung eingeschmolzen ist oder der von der Wandung umgriffen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur zumindest eines Abschnittes des Elektrodenstabes zur Erhöhung einer Festigkeit des Elektrodenstabes optimiert ist, wobei die Struktur eine Gitterstruktur oder eine Gefügestruktur oder eine Oberflächenstruktur ist.
12. Gasentladungslampe nach Anspruch 11, wobei die Gitterstruktur über eine Dotierung optimiert ist.
13. Gasentladungslampe nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Gefügestruktur derart optimiert ist, dass ein Gefüge eines radialen Außenbereiches des Ab¬ schnittes feinkörniger oder verdichteter ist als ein Gefüge eines radialen Innenbereiches des Abschnittes.
14. Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Oberflächenstruktur derart opti¬ miert ist, das eine mittlere Rauheit in Richtung ei¬ ner Längsachse des Abschnittes kleiner als quer zu dieser Richtung ist.
15. Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Führungsabschnitt in einer Hülse angeordnet ist, die in die Wandung eingeschmolzen oder eingesetzt ist.
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