DE2919084A1 - Nicht abschmelzende elektrode zum plasmaschweissen und verfahren zur herstellung dieser elektrode - Google Patents

Nicht abschmelzende elektrode zum plasmaschweissen und verfahren zur herstellung dieser elektrode

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DE2919084A1 DE19792919084 DE2919084A DE2919084A1 DE 2919084 A1 DE2919084 A1 DE 2919084A1 DE 19792919084 DE19792919084 DE 19792919084 DE 2919084 A DE2919084 A DE 2919084A DE 2919084 A1 DE2919084 A1 DE 2919084A1
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Description

SCHIFF V. FDNER STREHl. SCHÜBEL-HOPF ESBIN6HAUS FINCK
Be Schreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Plasmabearbeitung von Metallen, insbesondere auf nicht abschmelzende Elektroden zum Plasmaschweißen von Metallen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxid— basis.
Die vorgeschlagene nicht abschmelzende Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis kann mit Erfolg zum Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle eingesetzt werden.
Damit das Plasmaschweißen der Stähle in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis mit anderen gut bekannten Schweiß verfahren, zum Beispiel mit UP-Schweißen mittels einer abschmelzenden Elektrode oder mit Schweißen mittels einer abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis konkurrie-
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ren kann, ist es notwendig, daß nicht abschmelzende Elektroden zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis die für die industrielle Ausnutzung annehmbare Lebensdauer bei Lichtbogenströsen Über 400 A gewährleisten.
So müssen beispielsweise nicht abschmelzende Elektroden zum Plasmaschweißen beim Schweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle ohne Abschrägen der Kanten zur Erreichung der Geschwindigkeiten des Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis, die gleich oder höher als die Geschwindigkeiten des Schweißens mit bekannten Verfahren sind, die für die industrielle Ausnutzung annehmbare Lebensdauer bei Lichtbogenströmen von 400 bis 1000 A gewährleisten.
Bekannt ist eine nicht abschmelzende Elektrode zur Plasmabearbeitung in chemisch aktiven plasmabildenden Gasen, darunter auch in Kohlendioxid, die einen mit Flüssigkeit· gekühlten Metallhalter aus Kupfer und einen aktiven Einsatz aus Zirkonium enthält, der mit dem Halter in einer metallurigschen Verbindung steht (s. z· B. US-PS 31 98 932).
Beim Betrieb dieser nicht abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium tritt der aktive Einsatz aus Zirkonium mit aktiven Bestandteilen des plasmabildenden Gases wie Kohlendioxid und Sauerstoff in chemische Wechselwirkung ein. Auf der gesamten wirksamen Oberfläche des aktiven
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Einsatzes bildet sich die aus den Verbindungen von Zirkonium mit Kohlendioxid und Sauerstoff bestehende Oberflächenhaut, die wir im folgenden als Zirkoniumoxykarbidschicht nennen werden. Die Zirkoniumoxykarbidschicht hat eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit und höhere Emissionseigenschaften als metallisches Zirkonium. Die gena^vrite nicht .abschmelzende Elektrode fand an Anlagen zum Plasmaschneiden und Plasmaschweißen von Metallen bei Lichtbogenströmen bis 5>00 A Verwendung.
Bei der Plasmabearbeitung in Kohlendioxidmedium bei Lichtbogenströmen über JQO A ist jedoch die Lebensdauer solch einer Elektrode zum industriellen Betrieb unannehmbar,, Das schließt ihren/Einsatz zum Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle mit der Dicke über 6 mm in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis praktisch aus·
Bekannt ist auch eine nicht abschmelzende Elektrode zur Plasmabearbeitung von Metallen in chemisch aktiven plas— mabildenden Medien, die Sauerstoff, Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthalten.
Diese nicht abschmelzende Elektrode weist einen Halter aus iiupxer und ctessen -Legierungen sowie einen aktiven Einsatz aus Hafnium auf (s. z. B. Uö-PS 3592^649)·
Beim Betrieb dieser nicht abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium tritt der aktive Hafniumeinsatz mit aktiven Bestandteilen des plasmabildenden Gases wie Kohlendioxid
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und Sauerstoff in chemische Wechselwirkung ein. Auf der gesamten wirksamen Oberfläche des aktiven Einsatzes bildet sich eine Hafniumoxykarbidschicht, die eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit und höhere Emissionseigenschaften als eine Zirkoniumoxykarbidschicht hat.
Die Lebensdauer einer solchen nicht abschmelzenden Elektrode läßt sie bei der Plasmabearbeitung in Kohlendioxidmedium bei Lichtbogenströmen bis 400 A einsetzen und ist höher im Vergleich zur Lebensdauer der Elektroden, die einen aktiven Zirkoniumeins at 25 haben.
Diese Lebensdauer ist jedoch zur Verwendung der Elektrode bei Lichtbogenströmen über 400 A wegen der Erhöhung der Erosionsgeschwindigkeit der Elektrode auch unannehmbar.
Es ist somit die nicht abschmelzende Elektrode mit einem aktiven Hafniumeinsatz zum Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle mit der Dicke über 6 mm in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis nicht einzusetzen.
Bekannt ist auch eine Katode für Lichtbogenvorgänge in chemisch aktiven Medien, die einen Kupferhalter und einen aktiven Einsatz enthält, der im wesentlichen aus Hafnium mit Legierungszuschlagen verschiedener Metalle und/ oder deren Legierungen ausgeführt ist.
Die Katode hat eine niedrigere Erosionsgeschwindigkeit im Vergleich zur Elektrode mit dem aktiven Einsatz aus reinem Hafnium nur bei dem Aussetzbetrieb des Lichtbogen-
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brennens« Bei allen Betriebsarten aber gestattet die Lebensdauer einer -solchen Kathode, sie zur Plasmabearbeitung im Kohlendioxidmedium bei Lichtbogenströmen bis 400 A einzusetzen.
Es kann somit die Katode mit einem aktiven Einsatz.' aus Hafnium mit Legierungszusätzen zum Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle mit der Dicke über 6 mm in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis nicht verwendet' werden.
Die obenbeschriebene Elektrode nach der US--PS 31 98 932 wird durch das Inbringen eines vorher chemisch behandelten aktiven Zirkoniumeinsatzes in einen Kupferhalter und die gemeinsame Erwärmung des Halters und des aktiven Einsatzes zur Erreichung einer metallurgischen Verbindung zwischen dem aktiven Einsatz und dem Kupferhalter hergestellt.
Alle anderen obenbeschriebenen Elektroden werden durch das mechanische Anbringen eines aktiven Einsatzes in einen Kupferhalter, z. B., durch das Kaltstanzenverfahren oder durch andere ähnliche Verfahren hergestellt.
Bei allen obenbeschriebenen Elektroden entsteht eine Oxykarbidschicht des entsprechenden Materials eines aktiven Einsatzes beim Lichtbogenbrennen in Kohlendioxidmedium,,
Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, die erwähnten Nachteile zu beseitigen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-
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gründe, eine nicht abschmelzende Elektrode zum Plasmaschweißen von Metallen zu schaffen und Verfahren zur Herstellung zu entwickeln, bei denen der aktive Einsatz so ausgeführt und bearbeitet ist, daß er die Arbeit der nicht abschmelzenden Elektrode bei Lichtbogenströmen über 400 A mit der für die industrielle Ausnutzung annehmbaren Lebensdauer gewährleistet sowie beim Schweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle ohne Abschrägen der Kanten die Geschwindigkeiten erhalten läßt, die gleich oder höher der Schweißgeschwindigkeiten mit bekannten Verfahren sind.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer nicht abschmelzenden Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis, die einen Halter aus Kupfer oder dessen legierungen und einen in diesem Halter angeordneten aktiven Hafniumeinsatz aufweist, auf dessen Oberfläche eine Hafniumoxykarbidschicht angeordnet ist, erfindungsgemäß der aktive Einsatz auch eine auf die Hafniumoxykarbidschicht aufgetragene Graphitschicht enthält.
Das Auftragen auf eine Hafniumoxykarbidschicht einer Graphitschicht, die die wirksame Oberfläche des aktiven Einsatzes bildet, gewährleistet eine Verminderung des auf die nicht abschmelzende Elektrode fallenden Wärmeflusses und eine Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit und der Emissionseigenschaften der erfindungsgemäßen nicht ab-
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3 ϊ ..
schmelzenden Elektrode.
Es ist zweckmäßig, daß die Graphitmenge in der auf die Hafniumosykarbidschicht aufgetragenen Graphitschicht durch die Höhe und den Durchmesser des aktiven Einsatzes bestimmt wird, die aus folgendem Verhältnis ausgewählt sindi h & (0,25 - O,75)d, wobei
Ii - Höhe des aktiven Einsatzes und
d — .Durchmesser des aktiven Einsatzes sind.
Zur Erhöhung der Lebensdauer der Elektrode, die mit der Bildung der Graphitschicht auf dem größten Teil und vorzugsweise auf der gesamten Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht und mit der ununterbrochenen Aufrechterhaltung der gebildeten Graphitschicht bei dem Betrieb der nicht abschmelzenden Elektrode bei Arbeitsströmen des Lichtbogens zusammenhängt, ist es notwendig, eine intensivere und gleichmäßigere Abkühlung des aktiven Einsatzes zu gewährleisten*
Zur Erfüllung dieser Bedingungen wird erfindungsgemäß vorgeschlageijdie geometrischen Parameter eines aktiven Einsatzes (Höhe und Durchmesser) so auszuwählen, daß die Höhe kleiner als der Durchmesser ist·
Versuchsweise ist es festgestellt, daß bei der Höhe des aktiven Einsatzes unter 0,25 dessen Durchmessers, das heißt bei der intensivsten Abkühlung des aktiven Einsatzes, die nicht abschmelzende Elektrode nicht arbeitsfähig wird.
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ORIGINAL )NiPigfi§.
Das hängt damit zusammen, daß bei der Unterkühlung des Materials der Emissionsoberiläche eine Kontraktion des Katodenbrennfleckes entsteht, der Lichtbogen räumlich instabil wird und die schnelle Zerstörung der nicht abschmelzenden Elektrode vor sich geht. Bei der Höhe des aktiven Einseiüzes über 0,75 dessen Durchmessers werden die Verhältnisse des minimalen radialen Temperaturgradientes auf der Haf— niumoxykarbidschicht soweit gestört, daß die Bildung und die ununterbrochene Gleichgewichtsaufrechterhaltung der Graphitschicht unmöglich werden, was seinerseits auch zur schnellen Zerstörung der nicht abschmelzenden Elektrode führt.
Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß beim Herstellungsverfahren einer nicht abschmelzenden Elektrode zum Plasmaschweißen, das in der Verbindung eines Halters aus Kupfer oder dessen Legierungen mit einem aktiven Einsatz besteht, erfindungsgemäß der Halter aus Kupfer oder dessen Legierungen an den Minuspol der Speisequelle angeschlossen v/ird, die nicht abschmelzende Elektrode in Kohlendioxidmedium untergebracht wird, eine Hilfselektrode an den Pluspol der Speisequelle unter der Bildung zwischen den genannten Elektroden eines Lichtbogens angeschlossen wird. Dabei wird zuerst auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes eine Hafniumoxykarbidschicht beim Stromwert des Lichtbogens bis 0,2 J gebildet, dann wird der Lichtbogen-
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strom von 0,2 bis auf I.aiit der Geschwindigkeit max.
40 A/sec. unter der Bildung einer Graphitschicht auf der vorher gebildeten Hafniumoxykarbidschicht erhöht, wobei I-
s
.öeux-ieöstrom der nicht abschmelzenden .Elektrode ist*
Die Zeit der .Bildung einer Hafniumoxykarbidschicht bei der Lichtbogenzündung beträgt etwa 0,05-0,5 see. Zum Bedecken der gesamten Oberfläche eines aktiven Einsatzes mit einer Hafniumoxykarbidschicht reicht es aus, den Lichtbogenstrom aufrechtzuerhalten, der nur 0,2 I des gesamten Betriebsstromes I der nicht abschmelzenden Elektrode beträgt.
Zur Anfangsbildung einer Hafniumoxykarbidschicht reicht es aus, im Anfangsmoment des Lichtbogenbrennens den Stromwert auf der Höhe bis 0,2 I des gesamten Betriebsstromes I aufrechtzuerhalten, während zur weiteren Bildung des Graphitüberzuges auf der wirksamen Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht es notwendig ist, den Lichtbogenstrom allmählich von 0,2 I bis auf den gesamten Betriebsstrom des Lichtbogens I mit der Geschwindigkeit max. 40 A/sec. zu erhöhen·
Wenn die allmähliche Erhöhung des Lichtbogenstromes I mit Werten über 0,2 I und mit Geschwindigkeiten über 40 A/sec. beginnt, so entsteht eine Übererwärmung der wirksamen Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht und eine starke Störung der radialen Temperaturverteilung, was die Bildung eines Graphitüberzuges ausschließt.
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Im folgenden wird die vorliegende Erfindung an Hand der ausführlichen Beschreibung der angeführten praktischen Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigt:
Fig. 1 - Schnitt durch die erfindungsgemäße nicht abschmelzende Elektrode,
Fig. 2 -,.Ansicht in Pfeilrichtung Δ in Fig. 1, Fig· 3 - ein weiteres Ausführungsbeispiel der nicht abschmelzenden Elektrode, Ansicht in Pfeilrichtung A in Fig· 1,
Fig. 4- - schematisch ein Blockschema, das Herstellungsverfahren der nicht abschmelzenden Elektrode erfindungsgemäß veranschaulicht»
Fig. 5 - eitt. Diagramm, das die Abhängigkeit des Lichtbogenstromwertes von der Zeit bei der Herstellung der nicht abschmelzenden Elektrode erfindungsgemäß kennzeichnet.
Beim Betrieb der nicht abschmelzenden Elektrode, die einen Halter und einen aktiven Einsatz enthält, findet eine Erosion des aktiven Einsatzes statt, entsteht ein Krater und die vollständige Lebensdauer wird beim Ausbrennen des aktiven Einsatzes auf dessen ganze Tiefe realisiert. Die Versuche zeigten, daß bei der Arbeit der nicht abschmelzenden Elektroden in Kohlendioxidmedium oder in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis bei Lichtbogenströmen über 400 A die Erosionsgeschwin-
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digkeit des aktiven Einsatzes stark erhöht. Die Ursache eines so schnellen Abbrandes der nicht abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis steht damit in Verbindung, daß der Wärmefluß beim Betrieb der nicht abschmelzendeηtElektrode mit der Erosion des aktiven Einsatzes und Eintauchen der Bogensäule in den sich bildenden Krater zunimmt und eine stürmische Zerstörung der Elektrode erfolgt.
Eine geringe Anzahl der nicht abschmelzenden Elektroden (etwa 10% von der gesamten Anzahl der untersuchten Elektroden) setzte jedoch fort, bei der Erhöhung des Lichtbögenstromes über 400 A in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis im Laufe einiger Stunden stabil zu arbeiten* Eine Gefügeanalyse der wirksamen Oberfläche des aktiven Hafniumeinsatzes zeigte, daß die Hafniumoxykarbidschicht auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes aller stabil funktionierten nicht abschmelzenden Elektroden mit einer Graphitschicht bedeckt ist und die Hafniumoxykarbidschicht auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes aller nichtabschmelzenden Elektroden, die eine hohe Erosionsgeschwindigkeit haben, keinen Graphitüberzug hat.
Es wurde von den Erfindern ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der erhöhten Beständigkeit einer nicht abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis bei Lichtbogenströmen über 400 A und dem Vorhandensein einer; -Graphitschicht auf der
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!N§PE§fii
wirksamen Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht, die die wirksame Oberfläche des aktiven Hafniumeinsatzes bedeckt, festgestellt.
Die Versuche zeigten, daß ^e ein größerer Teil der Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht mit einer Graphitschicht bedeckt ist, desto höher die Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis ist und daß die Bildung einer Graphitschicht auf einer Hafniumoxykarbidschicht immer von der Kandzone der wirksamen Oberfläche zum Zentrum geschieht, d.h. an den Stellen der Oberfläche einer Hafniumoxykarb id schicht, die die niedrigste Betriebstemperatur haben.
Nach Ansicht der Erfinder entsteht eine Graphitschicht auf der Oberfläche einer Hafniumoxidkarbidschicht als Ergebnis einer Umsetzung des Häfniumoxykarbides mit Kohlenoxid, das sich bei der thermischen Dissoziation Kohlendioxides an dem an der Katode -anliegenden Teil der Lichtbogensäule bildet.
Die Hauptbesonderheit dieser Umsetzung besteht in einem engen Temperaturbereich, in dem sie mit der Graphitbildung vorgeht und der max. 50O0O beträgt. Damit läßt sich die versuchsweise beobachtete Bildung einer Graphit— schicht in der Randzone der Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht erklären, wo die Betriebstemperatur der
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Schicht einerseits minimal ist und andererseits einen geringen radialen Gradienten hat»
Eine weitere wesentliche Besonderheit der Umsetzung ^es Hafniumoxykarbides mit Kohlenoxid besteht darin» daß diese bei einem hohen absoluten Temperaturpegel über 250O0C vor sich geht.
Bei solchen Temperaturen kann die Graphitschicht einen Hauptanteil des Lichtbogenstromes auf Kosten des Thermoemissionsstromes gewährleisten, was zu einer Lebensdauererhöhung der nicht abschmelzenden Elektrode führt, die bei einer Vergrößerung des Anteils der wirksamen Oberfläche der mit einer Graphitschicht bedeckten Hafniumoxykarbidschicht beobachtet wird.
Eine versuchsweise Untersuchung der Abhängigkeit der Lebensdauer "einer nicht abschmelzenden Elektrode von der Fläche der mit einer Graphitschicht bedeckten Hafniumoxykarbidschicht zeigte, daß obwohl die maximale Lebensdauer einer nicht abschmelzenden Elektrode bei der Bedeckung der gesamten Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht mit einer Graphitschicht realisiert wird, die zur industriellen Verwertung der nicht abschmelzenden Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium bei Lichtbogenströmen über 400 A annehmbare Lebensdauer gewährleistet wird, wenn eine Graphitschicht bei der vorgeschlagenen Geometrie des aktiven Einsatzes beim Betrieb der nicht abschmelzenden Elektrode auf der: Fläche mindestens 0,25 der gesamten wirksamen
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ehe einer Hafniumoxykarbidschicht gebildet und ununterbrochen aufrechterhalten wird.
Im Zusammenhang damit wurde erfindungsgemäß eine nicht abschmelzende Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis geschaffen, die einen Halter 1 /E1Xg. 1/, der aus Kupfer oder dessen Legierungen ausgeführt ist, und einen in ihm bündig angeordneten aktiven Einsatz 2 aus Hafnium enthält. Auf der Außenfläche des aktiven Einsatzes ist eine Schicht 3 aus Hafniumoxykarbid angeordnet.
Auf der Hafniumoxykarbidschicht 3 ist eine Schicht 4 aus Graphit angeordnet.
Das vorläufige Auftragen der Schicht 4 aus Graphit auf die Schicht 3 aus Hafniumoxykarbid gewährleistet eine hohe Beständigkeit der nicht abschmelzenden Elektrode beim Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendiüxiübcisis bei der Verwendung der erfindungsgemäßen nicht abschmelzenden Elektrode als Katode eines Lichtbogen-Plasmabrenners. Eine positive Y/irkung besteht darin, daß die Verbindung der Schicht 3 aus Hafniumoxykarbid mit der Schicht 4 aus Graphit auf der Enissionsoberfläche des aktiven Einsatzes 2 aus Hafnium die Möglichkeit bietet eine nicht abschmelzende Elektrode mit einer minimalen Elektronenaustrittsarbeit zu erhalten. Eine Verminderung der Elektronenaustrittsarbeit gestattet beim vorgegebenen Lichtbogenstrom eine niedrigere Betriebstemperatur auf der Emis-
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sionsoberflache der nicht abschmelzenden Elektrode zu erhalten, was den Wärmefluß in die nicht abschmelzende Elektrode herabsetzt.
Im Ergebnis verringert sich die thermische Erosion des aktiven Einsatzes 2 und erhöht sich die Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode.
In Fig. 2., die eine nicht abschmelzende Elektrode seitens der wirksamen Oberfläche darstellt> deckt die Graphitschicht 4 die Hafniumoxykarbidschicht 3 teilseise. Es wurde dabei erfindungsgemäß.festgestellt,daß die Graphitschicht 4 die Hafniumoxykarbidschicht 3 von der Linie der Stoßstelle der Oxykarbidschicht 3 mit dem Halter 1 zu der Achse der nicht abschmelzenden Elektrode decken muß.
Versuchsweise wurde festgestellt, daß es zur Gewährleistung der Betriebseigenschaften der nicht abschmelzenden Elektrode bei Strömen über 400 Ä genügt, daß die Graphitschicht 4 0,25 der Fläche der Hafniumoxykarbidschicht 3 bedeckt·
Die Wärmeflußminderung hat die !Temperaturwechselbeständigkeit der nicht abschmelzenden Elektrode. zur Folge, d. h. zum Herabsetzen der Erosion des aktiven Einsatzes 2 führt.
In Fig. 3 bedeckt die Graphitschicht 4 vollständig die Hafniumoxykarbidschicht 3· In diesem Falle werden die maximalen Betriebseigenschaften der nicht abschmelzenden
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Elektrode realisiert, die ermöglichen eine Durchführung des Plasmaschweißens in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis "bei Lichtbogenströmen bis 1000 A,
Nachstehend sind Beispiele der erfindungsgemäJßen nicht abschmelzenden Elektrode und Erprobungsbeispiele der nicht abschmelzenden Elektrode beim Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis angeführt.
BEISPIEL 1.
In der nicht abschmelzenden Elektrode, die einen Kupferhalter mit dem Durchmesser von 20 mm und einen aktiven Hafniumeinsatz mit dem Durchmesser von 3»6 ram enthält, wurde auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes eine Hafniumoxykarbidschicht gebildet, auf deren gesamten wirksamen Oberfläche eine Graphitschicht gebildet wurde.
Die Höhe des aktiven Einsatzes betrug 0,9 em· Die nicht abschmelzende Elektrode wurde in einem Plasmabrenner mit dem Düsendurchmesser von 11 mm beim Plasma»» schweißen . unter folgenden Parametern des Vorganges erprobt:
Werkstoff der zu schweißenden Platten - niedriglegierter .
Stahl -
Dicke der zu schweißenden Platten, mm - 18 + 18 plasmabildendes Gas - CO2
L-ichtbogenstrom, Δ — 1000
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ORIGINAL INSPECTED
Verbrauch an plasmabildandem Gas, 1/h - 400
Die Platten wurden in der unteren Lage ohne Abschrägen der Kanten mit dem durchgehenden Einbrand in einem Durchgang mit der Geschwindigkeit 30 m/h geschweißt. Die lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode als Gesamtbrenndauer eines Lichtbogens beim Schweißen betrug 1 Stunde.
BEISPIEL 2
In der nicht abschmelzenden Elektrode, die einen Kupferhalter mit dem Durchmesser von 20 mm und einen aktiven Hafniumeinsatz mit dem Durchmesser von 3 ram enthält, wurde auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes eine Hafniumoxykarbidschicht gebildet. Auf 0,75 der Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht wurde eine Graphitschicht gebildet« Die Höhe des aktiven Einsatzes betrug 1,5 mm.
Die nicht abschmelzende Elektrode wurde in einem Plasmabrenner mit dem Düsendurchmesser von 8 mm beim Plasmaschweißen unter folgenden Parametern des Vorganges erprobt:
Werkstoff der zu schweißenden Erzeugnisse - niedriggekohlter Stahl
Dicke der zu schweißenden Platte, mm -12+12 plasmabildendes Gas - Gemisch aus
90% CO2 + 10% O2
Lichtbogenstrom, A - 750
Verbrauch an plasmabildendem Gas, l/h -- 800
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'V - BAD ORIGINAL
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Die Platten wurden in der unteren Lage ohne Abschrägen der Kanten mit dem durchgehenden Einbrand in einem Durchgang mit der Geschwindigkeit 50 m/h geschweißt. Die Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode als Gesamtbrenn*·; dauer eines Lichtbogens beim Schweißen betrug 1,7 Stunde·
BEISPIEL 3
In der nicht abschmelzenden Elektrode, die einen Kupferhalter mit dem Durchmesser von 16 mm und einen aktiven Einsatz aus Hafnium mit dem Durchmesser von 2,6 mm enthält, wurde auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes eine Schicht aus Hafniumoxykarbid gebildet. Auf 0,25 der Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht wurde eine Graphitschicht gebildete Die Höhe des aktiven Einsatzes betrug 1,9 mm.
Die nicht abschmelzende Elektrode wurde in einem Plasmabrenner mit dem Düsendurchmesser von 8 mm . beim Plasmaschweißen unter folgenden Parametern des Vorganges erprobt*
Werkstoff der zu schweißenden Platten - niedrigIegierter
Stahl
Dicke der zu schweißenden Platten, mm -6+6 plasmabildendes Gas - CO2
Lichtbogens brom, A - 450
Verbrauch an plasmabildendem Gas, l/h - 300
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Die Platten wurden in der unteren Lage ohne Abschrägen der Kanten mit dem durchgehenden Einbrand in einem Durchgang mit der Geschwindigkeit 50 m/h geschweißt. Die Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode als Gesamt— brenndauer eines Lichtbogens beim Schweißen betrug dabei 7 Stunden.
BEISPIEL 4
In der nicht abschmelzenden Elektrode, die einen Kupferhalter mit dem Durchmesser von 20 mm und einen aktiven Hafniumeinsatz mit dem Durchmesser von J> mm enthält, wurde auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes eine Schicht aus Hafniumoxykarbid gebildet« Auf 0,85 Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht wurde eine Graphitschicht gebildet. Die Höhe des aktiven Einsatzes betrug 1,2 mm.
Die nicht abschmelzende Elektrode wurde in einem Plasmabrenner mit dem Düsendurchmesser von 9 wen .' beim Plasmaschweißen" unter folgenden Parametern des 'Vorganges erprobt:
Werkstoff der zu schweißenden Platuen - niedriglegierter
Stahl
Dicke der zu schweißenden blatten, mm -8+8 plasmabildendes Gas - CO2
Lichtbogenstrom, A - 800
Verbrauch an plasmabildendes Gas, I/h - 1000 Die Platten wurden in der unteren Lage ohne Abschrä—
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gen der Kanten mit dem durchgehenden Einbrand in einem Durchgang mit der Geschwindigkeit 80 m/h geschweißt. Die Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode als Gesamtbrenndauer eines Lichtbogens beim schweißen betrug dabei 2,1 Stunden.
Zur Gewinnung einer Graphitschicht auf der Schicht aus Hafniumoxykarbid und zur Gleichgewichtsaufrechterhaltung des Graphitüberzuges beim Betrieb der nicht abschmelzenden Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis ist es notwendig, daß die Graphitschicht auf die HafniumOVkarbidschicht im voraus aufgetragen wird, d.h. vor der Verwendung der nicht abschmelzenden Elektrode zum Plasmaschweißen. Erfindungsgemäß wurde versuchsweise festgestellt, daß die eine positive Wirkung gewährleistende Graphitschicht auf der Hafniumoxykarbidschicht nur bei der Bearbeitung der nicht abschmelzenden Elektrode mit einem in Kohlendioxidmedium brennenden Lichtbogen geschaffen sein kann, für welchen die zu bearbeitende nicht abschmelzende. ,Elektrode eine Katode ist, d.h. die Elektrode, die an den iainuspol der ijichtDogenspeisequelle angeschlossen ist. Davon zeugen die erf indungsgemäß durchgeführten Versuche, in deren Verlauf die mit dem Lichtbogen zu bearbeitende nicht abschmelzende Elektrode an den Pluspol der Lichbbogenspeisequelle angeschlossen war, d.h. eine Ano.de war. Ausnahmslos wurde in allen diesen Versuchen keine Graphitschicht auf der wirk-
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samen Oberfläche des aktiven Einsatzes gebildet und die nicht abschmelzende Elektrode zerstörte sich schnell. Erfindungsgemäß wurde auch" festgestellt, daß die Bildung einer Hafniumoxykarbidschicht auf der wirksamen Oberfläche des aktiven Einsatzes bei der Bearbeitung der nicht abschmelzenden Elektrode, die eine Katode ist, mit dem in Kohlendioxid brennenden Lichtbogen praktisch augenblicklich nach der Lichtbogenzündung geschieht.
Während die Bedingungen der Bildung einer Hafniamoxykarbidschicht /Lichtbogenstrom und Lichtbogenbrenndauer/ sich in breiten Bereichen variieren können, sind die Bedingungen der Bildung einer Graphitschicht auf der Hafniumoxykarb ids chicht, wie die Versuche zeigten, streng bestimmt.
Das folgt aus der Notwendigkeit eine ganz bestimmte Temperatur und einen radialen Temperaturgradient auf der wirksamen Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht aufrechtzuerhalten, bei denen die Bildung eines Graphitüberzuges erfolgt. ·
Beim Vergleichen der Versuchsergebnisse und der wärmephysikalischen Eigenschaften einer Hafniumoxykarbidschicht, eines Hafniumeinsatzes und eines Kupferhalters, kamen die Erfinder zum Schluß, daß es für die Ausführung der obenbeschriebenen Bedingungen der Graphitüberzugs— erhaltung außer einer bestimmten Schaltung der zu bearbeitenden nicht abschmelzenden Elektrode in den Stromkreis der
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Lichtbogenspeisequelle unbedingt notwendig ist, eine bestimmte Geschwindigkeit der Erhöhung des Lichtbogenstromes zu befolgen.
Die Einrichtung zur Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung der nicht abschmelzenden Elektrode enthält eine Gleichstromquelle 5 (i'ig· 4·), deren Minuspol an den Halter 1 der nicht' abschmelzenden Elektrode und Pluspol an eine Hilfselektrode 6 angeschlossen ist. Der Halter 1 mit einem in ihm untergebrachten aktiven Hafniumeinsatz 2 ist in einer Kammer 7 angeordnet, die mit einem Mittel 8 zum Einlaß Kohlendioxides und einem Mittel 9 zum Auslaß Kohlendioxides ausgerüstet ist.
Eine nicht abschmelzende Elektrode, die einen Kupferhalter 1 rait einem in ihn vorher bündig eingepreßten aktiven Hafniumeinsatz 2 aufweist, wird in der Kammer 7 untergebracht und an den Minuspol einer Gleichstromquelle 5
angeschlossen. Der Kammer 7 wird Kohlendioxid zugeführt. V
Dann wird der Lichtbogen 10 zwischen dem aktiven Hafniumeinsatz 2 und der vorher an den Pluspol der Gleichstromquelle 5 angeschlossenen Hilfselektrode 6 gezündet. In einem auf Fig. 5 dargestellten Diagramm ist eine Kurve 11 der Abhängigkeit des Lichtbogenstromwertes von der Zeit gezeigt; dabei ist längs der Ordin^ctenachse der Stromwert des Lichtbogens 10 und längs der Abszissenachse die zur Herstellung einer nicht abschmelzenden Elektrode aufgewandte Zeit abgestochen.
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Aus der Untersuchung der Kurve 11 ist ersichtlich,daß nach der Zündung des Lichtbogens 10 im Laufe -Li? 0,5 see. bei dem Stromwert I des Lichtbogens 10, der max. 0,2 I ist, auf der Emissionsoberfläche des aktiven Hafniumeinsatzes 2 eine Hafniumoxykarbidschicht 5 gebildet wird, die die gesamte Emissionsoberfläche des aktiven Hafniumeinsatzes 2 bedeckt. Ohne das Lichtbogenbrennen zu unterbrechen, wird dann der Strom I des Lichtbogens 10 mit der Geschwindigkeit max. 40 A/sec. bis auf gesamten Betriebsstrom I der nicht abschmelzenden Elektrode mit der Bildung auf der Hafniumoxykarbidschicht 3 einer Graphit schicht 4- erhöht. Dann wird der Lichtbogen gelöscht. Wenn dabei die gesamte Brenndauer
rf / rr . rf beträgt, so bedeckt die Graphitschicht 4- die Hafniumoxykarbidschicht 3 aur teilweise, aber mindestens 0,25 Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht. Wenn
Ls? Ί ~ x j
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wobei I der gesamte Betriebsstrom einer nicht abschmelzenden Elektrode ist, so bedeckt die (Graphitschicht 4- vollständig die Hafniumoxykarbidschicht 3·
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer nicht abschmelzenden Elektrode zum Schweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis ermöglicht im Laufe eines Zyklus des Lichtbogenbrennens auf einen aktiven Einsatz eine Hafniumoxykarbidschicht und auf diese eine Graphitschicht aufzutragen.
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ORKSiINAL INSPECTED
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Claims (3)

  1. PATEiJTAN WALTE SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCH ÜBEL-HOPF EBBINSHAUS FINCK
    MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O O Q 1 O Π O f
    POSTADRESSE: POSTFACH 95 Ot 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95 Z >/ I vj U O
    PROFESSIONAL REPRESENTATIVES ALSO BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE
    Vsesojuznyj nautschno-issledovatelski:i
    proektno-konstruktorskij i technologi-
    tscheskij Institut elektrosvarotsch-
    nogo oborudovania DIPL·INQ· dieter ebbi
    DR. ING. DIETER FINCK
    TELEFON (OBS) 4B 2O 54
    TELEX 5-S3G65 AURO O
    TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN
    Nicht abschmelzende Elektrode zum Plasmaschweißen und Verfahren zu Herstellung dieser Elektrode
    Patentansprüche
    (iJ iiicht abschmelzende Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis, die einen Halter aus Kupfer oder dessen Legierungen und einen in diesem Halter untergebrachten Einsatz aus Hafnium enthält, auf dessen Oberfläche eine Schicht aus Hafniumoxykarbid angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß der aktive Einsatz (2) auch eine Schicht (4) aus Graphit aufweist, die auf die Schicht O) aus Hafniumoxykarbid aufgetragen ist#
  2. 2. Nicht abschmelzende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitmenge in der Schicht ("4), die auf die Schicht (3) aus Hafniumoxykarbid aufgetragen ist, durch die Höhe und dem Durchmesser des aktiven Einsatzes (2) bestimmt wird, die aus folgendem Verhältnis ausgewählt werden:
    h = (0,25 - O,75)d, wobei h - Höhe des aktiven Einsatzes und
    d — Durchmesser des aktiven Einsatzes sind,
  3. 3. Verfahren zur Herstellung einer nicht abschmelzenden Elektrode nach Anspruch 1 durch die Verbindung eines Halters aus Kupfer oder dessen Legierungen mit einem aktiven Einsatz aus Hafnium, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Halter (1) an den Minuspol der Speiseguelle (5) angeschlossen wird, die nicht abschmelzende Elektrode-in Kohlendioxidmedium untergebracht und die Hilfselektrode (6) an den Pluspol der Speisequelle (5) mit der Bildung zwischen den genannten Elektroden eines Lichtbogens (10) angeschlossen wird; wobei zuerst auf der Oberfläche ' des aktiven Einsatzes (2) eine Schicht (3) aus Hafniumoxy— karbid beim einem.Stromwert des Lichtbogens ~ (10) bis 0,2 I gebildet und dann der Strom des Lichtbogens (10) von 0,2 I bis auf I mit der Geschwindigkeit max. 40 A/sec« unter Bildung einer schicht (4) aus Graphit auf der friiher gebildeten Schicht (3) aus Hafniumoxykarbid erhöht wird, wobei I der Betriebsstrom der nicht abschmelzenden Elektrode ist.
    I08S482Ü93Ö
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