Lichtbogenschweisselektrode und Verfahren zu ihrer Herstellung. Beim Lichtbogenschweissen mit von einem Mantel aus einem Edelgas, z. B. Argon und Helium, umgebenem Lichtbogen werden oft Wolframstäbe als Elektroden verwendet. Zur Erzielung eines stabilen Lichtbogens, das heisst eines Lichtbogens, der nicht über das Ende und an den Seiten der Elektrode emporwan dert, wird eine Arbeitstemperatur gewählt, bei welcher die Elektrode glühend wird. Bei die sen Temperaturen, die beim oder nahe beim Schmelzpunkt des Wolframs liegen, wird der Lichtbogenstrom hauptsächlich durch thermio- nische Emission von der Elektrode geliefert.
Bei diesen hohen Temperaturen treten infolge Verdampfung des Elektrodenmetalles Metall verluste ein, wodurch die Lebensdauer der Elektrode verkürzt wird. Wegen der Notwen digkeit, zwecks Aufrechterhaltung eines sta bilen Lichtbogens eine Glühelektrode zu ver wenden, ist auch die Stromstärke, die mit einer Elektrode von gegebenem Durchmesser verwendet. werden kann, begrenzt. Eine für eine gegebene Stromstärke zu dicke Elektrode kommt nicht zum Glühen und liefert. keinen stabilen Lichtbogen, während eine für eine ge gebene Stromstärke zu dünne Elektrode zu rasch verdampft. Da ein stabiler Lichtbogen unter diesen Bedingungen vom Zustandekom men eines in der Hitze Elektronen emittie renden Kathodenfleckes abhängt, ist. das An lassen mittels eines Hochfrequenzfunkens un sicher und schwierig.
Dies trifft insbesondere dann zu, wenn der Lichtbogen dadurch zum Zünden gebracht wird, dass man die Elektrode auf einem mit dem Werkstück elektrisch ver bundenen Lichtbogenanlassmaterial, wie z. B. Kohlenstoff, von dem der Lichtbogen für die Schweissoperation übertragen wird, direkt in Berührung bringt. Sobald der Lichtbogen zu stande gekommen ist, wandern der Kathoden fleck und der Lichtbogen über die Oberfläche des Elektrodenendes und an den Seiten der Elektrode empor, wodurch der Lichtbogen ausgelöscht und die Bildung fehlerhafter und unterbrochener Schweissnähte sowie die Be schädigung des Schweissapparates verursacht wird. Diese Unbeständigkeit des Lichtbogens bildet eine Quelle von Störungen beim auto matischen Lichtbogenschweissen, insbesondere dann, wenn Gleichstrom verwendet wird und die Elektrode negativ ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird nun bezweckt, eine verschleissfeste Elektrode für Lichtbogenschweissung mit von einem Mantel aus inertem Gas umgebenem Lichtbogen zu schaffen, die die oben genannten Nachteile und Unzulänglichkeiten nicht mehr aufweist. Diese Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Zirkonoxyd aufweisenden Wolframkörper besteht, wobei das Zirkon- oxy d in einer Menge vorhanden ist, die ge nügt, um während der Schweissoperation die Bildung eines dünnen Oxydfilms am Licht bogenende zu bewirken, jedoch nicht genügt, um eine Verunreinigung des Arbeitsstückes zu verursachen.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs gegenstandes ist in der Zeichnung veranschau licht, in welcher ein zum Schweissen mittels eines mit einem inerten Gas umhüllten Licht bogens bestimmter, mit einer erfindungs gemässen Elektrode ausgerüsteter Lichtbogen schweissbrenner gezeigt ist.
Durch Verwendung von Zirkonoxyd zu sammen mit Wolfram kann man einerseits ein augenblickliches Zünden des Lichtbogens erzielen, wenn ein Hochfrequenzfunken er zeugt oder die Elektrode mit dem Werkstück in Berührung gebracht und zurückgezogen wird, und anderseits einen beständig bren nenden Lichtbogen erhalten, wobei der Ka thodenfleck auf der Spitze der Elektrode ver harrt und nicht an deren Seiten empor wandert. Bei Verwendung von Zirkonoxyd ist. die zum Anlassen des Lichtbogens erforder liche Leerlaufspannung des Schweissgenera- tors sehr niedrig, das heisst ungefähr 40 V bei Gleichstrom, während bei alleiniger Verwen dung von Wolfram als Elektrodematerial etwa 190 V Gleichstrom erforderlich sind.
Diese kleinere Anlassspannung erlaubt die Verwen dung kleinerer Schweissgeneratoren. Das augenblickliche Zünden und das Bestehenblei ben eines stabilen Lichtbogens ermöglichen die Erzeugung ununterbrochener, gleichmässiger Schweissnähte, die frei von Unregelmässig keiten sind.
Wird anderseits Wolfram allein verwendet, so zündet der Lichtbogen nur langsam und unregelmässig, selbst bei einer aufgedrückten Anlassspannung von 190 V, das heisst nahezu dem Fünffachen der bei Verwendung von Zirkonoxyd erforderlichen Anlassspannung. Sogar nach dem Zünden ist der Lichtbogen unstabil, wobei der Kathodenfleck um das den Bogen ziehende Ende der Elektrode und an deren Seiten emporwandert und sogar von der Elektrode auf andere Teile des Schweissbren ners überspringt, wodurch der letztere beschä digt und der Lichtbogen häufig ausgelöscht wird. Der Lichtbogen muss oft an der Elek trodenspitze wieder hergestellt werden, wonach jedoch der Kathodenfleck wieder abwandert und schliesslich erneut erlischt.
Dieses un- regelmässige Verhalten des Lichtbogens wirkt sich bei der Lichtbogenschweissung, insbeson dere bei der automatischen Lichtbogenschwei ssung, bei welcher die Bewegung des Brenners oft durch die Erzeugung des Hochfrequenz- Anla.ssfunkens eingeleitet wird, störend ans. Infolge des bei Verwendung einer Wolfram elektrode auftretenden langsamen und un stetigen Zündens des Lichtbogens entsteht auf dem zu sehweissenden Werkstück eine blanke bzw. nichtgeschweisste Zone. Hat der Licht bogen einmal gezündet, so entsteht infolge Abwanderns des Kathodenfleckes eine unregel mässige und wellenförmige Schweissnaht, die eine schadhafte Verbindung bildet.
Wenn der Lichtbogen an der Seite der Elektrode empor wandert, kann einerseits eine Verbrennung der die Elektrode haltenden Spannzange und der Brennerdüse und anderseits ein Aus löschen des übermässig lang gewordenen Licht bogens stattfinden. Dadurch entsteht in der Schweissnaht eine weitere Lücke, bis der Ka thodenfleck und Lichtbogen mittels Hochfre quenzfunkens wiederhergestellt sind. Die häu fige Erzeugung von Hochfrequenzfunken zum erneuten Anlassen des Lichtbogens bewirkt. Störungen im Radiobetrieb.
Ein weiterer Nachteil der blossen Wolfram elektrode beruht darin, dass deren Ende beim Abwandern des Kathodenfleckes um dessen Ränder schmilzt und rund wird. Durch dieses Schmelzen der Elektrodenspitze und die Bil dung eines Tröpfchens von geschmolzenem Metall auf derselben wird eine Vergrösserung des Abstandes zwischen Elektrodenspitze und Werkstück hervorgerufen, wodurch der Licht bogen zum Auslöschen gebracht werden kann oder schlechte Schweissstellen entstehen kön nen.
Das Schmelzen und Glühen der Spitze von Wolframelektroden begünstigen auch die Verdampfung des Elektrodenmaterials und können sogar Metallverluste infolge Abbrök- kelns oder Abfallens des geschmolzenen Trop- fens von der Elektrode verursachen.
Die erfindungsgemässe Elektrode verdampft praktisch oder überhaupt nicht, da sie bei Temperaturen arbeitet; bei welchen das Elek- trodenmaterial weder glüht. noch schmilzt. Da das Ende dieser Elektrode nicht schmilzt, erfolgt keine Formveränderung infolge Bil dung eines Kügelchens aus geschmolzenem Metall, so dass sieh das häufige, lästige Justie ren des Abstandes zwischen Elektrodenspitze und Werkstück erübrigt. Der einmal einge stellte Abstand bleibt bei Verwendung der erfindungsgemässen Elektrode praktisch un verändert.
Durch mechanisches Vereinigen von Zir konoxyd mit der Wolframelektrode werden die Nachteile der blossen Wolframelektrode vermieden. Wird der Brenner mittels Hochfrequenz-Anlassfunkens angelassen, ent stehen keine blanken Stellen auf dem zu schweissenden Werkstück, da sich der Licht bogen und der Kathodenfleck augenblicklich bilden. Ferner verbleiben der Kathodenfleck und der Lichtbogen ohne Abwanderung am den Lichtbogen ziehenden Ende der Elektrode. Die Verwendung einer Zirkonoxyd aufweisen den Wolframelektrode wirkt sieh in der Er zielung einer gleichmässigen, ununterbrochenen Schweissnaht von hoher Festigkeit aus, deren Bildung gleichzeitig mit. der Erzeu gung des Hochfrequenzfunkens beginnt und ununterbrochen andauert, bis das Werkstück und der Brenner weiter auseinandergezogen werden oder der Strom unterbrochen wird.
Die vorliegende Elektrode ist auch für manuell betätigte Schweissbrenner vorteilhaft. In Fällen, wo der Hochfrequenzfunken zum Anlassen des Lichtbogens und Kathodenfleckes verwendet wird, entspricht die Arbeitsweise ziemlich genau derjenigen bei Verwendung der oben beschriebenen automatisch arbeiten den Maschine. Wird der Lichtbogen durch Kurzschliessen zum Zünden gebracht, so ist die Verwendung eines Kohlenblockes oder einer Kohlenplatte zum Anlassen des Licht bogens zu empfehlen. Bei Verwendung eines solchen Hilfsstückes wird dieses unmittelbar neben den Ausgangspunkt der Schweissnaht gebracht., worauf die Elektrode mit dem Hilfsstück in Berührung gebracht und dann wieder weggezogen wird, um den Lichtbogen zum Zünden zu bringen.
Der Brenner mit dem Lichtbogen wird dann über dem Werk- stück hinwegbewegt. Bei dieser Arbeitsweise wird das Verunreinigen des zu schweissenden Materials durch Elektrodenmaterial vermie den. In der Folge sollte, wenn der Brenner von einem erfahrenen Schweisser bedient wird, der Lichtbogen nur bei Abstellen der Strom zufuhr auslöschen. Die erfindungsgemässe Elektrode arbeitet auch bei viel niedrigeren Stromstärken als blosse Wolframelektroden zufriedenstellend. So zündet z. B. eine mit Zirkonoxyd über zogene, 1,5 mm dicke Wolframelektrode augen blicklich bei 6-A-Gleichstrom. Der entstan dene Lichtbogen besitzt eine ausgezeichnete Stabilität. Bei einer ähnlichen, jedoch keinen Zirkonoxydüberzug aufweisenden Wolfram elektrode zündet der Lichtbogen erst bei einer Stromstärke von 20- bis 30-A-Gleichstrom. Ausserdem ist dieser Lichtbogen nicht stabil.
Das Zirkonoxyd kann auf mannigfache Art und Weise mit. der Wolframelektrode vereinigt werden. Man kann z. B. gepulver- tes Zirkonoxyd mit gepulvertem Wolfram mischen und die Mischung zu einer Elek trode formen und sintern, wobei darauf ge achtet werden muss, dass nicht zu viel Zir konoxyd zu Metall reduziert wird. Die Elek trode kann auch aus einem Wolframhohlstab hergestellt. werden, indem der Hohlraum mit Zirkonoxyd oder einem Gemisch von Zir konoxyd mit Bindemittel gefüllt wird. Das Zirkonoxyd kann auch an den Seiten der Elektrode aufgebracht werden. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise die Elektro de einfach in eine Aufschlämmung oder Sus pension von Zirkonoxyd in Wasser eintau chen und nach Herausnahme trocknen.
Der Suspension kann zweeks Beschleunigung des Trocknens Alkohol oder ein anderes flüch tiges Lösungsmittel zugesetzt werden. Das Zirkonoxyd kann auch in an der Elektroden oberfläche vorgesehene Schlitze eingebracht werden.
Um ein besseres Haften des Zirkonoxyds an der Elektrode zu erzielen, können auch Bindemittel verwendet werden. Von a11 den zum Befestigen von Überzügen an Schweiss- elektroden benützten Bindemitteln wird vor zugsweise Wasserglas oder eine wässrige Lö sung von Natriumsilikaten verwendet.
Eine mit einem Überzug von Zirkonoxyd versehene Wolframelektrode kann beispiels weise wie folgt hergestellt werden: Durch gründliches Mischen von 100 Gewichtsteilen Zirkonoxyd mit 30 Volumteilen Wasserglas und 10 Volumteilen Wasser in einer Kugel mühle wurde eine überzugbildende Mischung hergestellt. Ein zu diesem Zweck verwen detes Wasserglas wies z. B. die folgende Zu sammensetzung auf: 91/o Natriumoxyd, 301/o Kieselsäure und als Rest Wasser. Die Wolf ramelektrode wurde einen Augenblick in diese Mischung eingetaucht und nach Herausnahme während bis zu einer Minute bei etwa<B>1500.</B> (y behandelt, um einen grauen, harten, fest haftenden Überzug von mehreren Hundertstel millimetern Dicke auf der Elektrode zu bil den. Der Überzug braucht nicht gebrannt zu werden, sondern kann einfach luftgetrock net werden.
Der auf diese Weise erhaltene Überzug ist jedoch gegen mechanische Bean spruchung und plötzliche Temperaturunter schiede nicht so beständig wie ein durch Brennen erhaltener Überzug.
Dem als Bindemittel verwendeten Wasser glas kommt wahrscheinlich keine andere Rolle züi, als das Zirkonoxyd in bequemer Weise auf der Elektrode zum Haften zu bringen. Die lichtbogenstabilisierende Wirkung des Zirkonoxyds wird jedenfalls durch das Was serglas nicht beeinflusst.
An Stelle von freiem Zirkonoxyd können auch zirkonoxydhaltige Materialien, z. B. Zir koniumsilikat oder Zirkon (ZrO2 ³ SiO2) ver wendet werden.
Die zur Erzielung der gewünschten Wir kung erforderliche Menge an Zirkonoxyd ist nicht auf einen engen Bereich beschränkt. Es genügt eine solche Menge, die zur Herstel lung eines dünnen Zirkonoxydfilms auf dem Elektrodenende erforderlich ist. Man kann auch grössere Mengen ohne Beeinträchtigung des Endergebnisses verwenden. Die obere Grenze ist dadurch gegeben, dass das Zirkon oxyd bzw. das Gemisch von Zirkonoxyd und Bindemittel nicht abschmelzen und auf das Werkstück tropfen darf, ansonst das letztere verunreinigt wird.
Für einen Stab von 1,58 mm Durchmesser ist z. B. ein Überzug von 0,028 bis 0,063 mm Dicke geeignet, während für einen Stab von 3,2 mm Durchmesser ein Überzug von 0,076 bis 0,127 mm Dicke vorzuziehen ist.
Im Betrieb wird die erfindungsgemässe Elektrode in einem Schweissapparat mit gas umhülltem Lichtbogen verwendet. Ein Aus führungsbeispiel eines solchen Apparates ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Eine mit einem Überzug 2 der oben beschrie benen Art. überzogene Wolframelektrode 1. ist durch eine federnde Spannzange 3 fest gehalten, die ihrerseits an einem Kupferrohr befestigt ist. Die Elektrode 1 kann in das Rohr 4 hineinragen, das der Zuleitung eines inerten Gases, wie z. B. Argon oder Helium, rund um die Elektrode und ferner als Leiter für die Zufuhr von Schweissstrom zur Elek trode 1 durch die Zange 3 dient.
Das Rohr 4 ist von einem elektrisch iso lierenden Mantel 5 umgeben, der seinerseits von einer Schutzhülle 6 aus dauerhaftem Ma terial, z. B. Eisen oder Stahl, umschlossen ist. Eine Düse 7 ist reibungsschlüssig auf das eine Ende der Schutzhülle 6 aufgeschoben und bildet eine das Ende des Rohres 4 und die daran befestigte Spannzange 3 einsehlie- ssende Kammer. Durch das Rohr 4 zugelei tetes Gas strömt durch eine Anzahl von in der Wand des Rohres 4 befindlielien Öffnungen 8 in die Kammer und wird aus der Düse 7 rund um das den Liehtbogen ziehende Ende der Elektrode 1 abgegeben.
Die eine Klemme einer Quelle von Licht bogenschweissstrom ist durch einen Leiter 9 mit dem Rohr 4 verbunden, während die andere Klemme der Stromquelle durch einen Leiter 10 mit einem das Werkstüek tragenden Tisch 11 verbunden ist. Die zu verschweissen den Teile 12 sind derart auf dem Tisch 11 angeordnet, dass sich ihre Längskanten be rühren.
Die durch Verwendung der erfindungs gemässen Elektrode erzielten Vorteile beruhen nicht auf einer Flusswirkung, da weder das Elektrodenmetall noch das Zirkonoxyd in die Schweissnaht eintritt oder über dieser einen Mantel bildet. Die beim Sehweissen mit der erfindungsgemässen Elektrode auftretende Ab deckungswirkung ist diejenige der durch die Schweissbrennerdüse zugeführten inerten Gase, die die Elektrode und den geschmol zenen Teil des Schweissmetalles abschirmen. Die Elektrode kann insofern als verschleiss fest bezeichnet, werden, als das Elektroden material nicht. in die Schweissstelle eintritt.
Das Zirkonoxyd ermöglicht ein sofortiges Zustandekommen und Bestehenbleiben des Kathodenflecks und Lichtbogens an der Spitze der Wolframelektrode beim Schweissen mit. einem mit inertem Gas umhüllten Lichtbogen, wobei letzterer weder an den Seiten der Elek trode empor- noch auf andere Metallteile des Schweissbrenners hinüberwandert.