DE2919084C2 - 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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Description

Höhe des aktiven Einsatzes und
Durchmesser des aktiven Einsatzes
20
sind.
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 Speisrquelle (5) angeschlossen wird, die nicht abschmelzende Elektrode in Kohlendioxidmedium untt-rgebr-cht 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 Hafniumoxykarbid bei einem Stromwert des Lichtbogens (10) bis 0,2 /gebildet und dann der Strom des Lichtbogens (10) von 0,2 /bis auf / mit der Geschwindigkeit max. 40A/sec unter Bildung einer Schicht (4) aus Graphit auf der früher gebildeten Schicht (3) aus Hafniumoxykarbid erhöht wird, wobei /der Betriebsstrom der nicht abschmelzenden Elektrode ist.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Plasmabearbeitung von Metallen, insbesondere auf nicht abschmelzende Elektroden zum Plasmaschweißen von Metallen in Kohlendioxidmedium oder in Gemi- v> sehen auf Kohlendioxidbasis.
Die vorgeschlagene nicht abschmelzende Elektrode zum Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis kann mit Erfolg zum Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter mi Stähle eingesetzt werden.
Damit das Plasmaschweißen der Stähle in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis mit anderen gut bekannten Schweißverfahren, zum Beispiel mit UP-Schweißen mittels einer abschmelzen- n; den Elektrode oder mit Schweißen mittels einer abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis konkurrieren kann, ist es notwendig, daß nicht abschmelzende Elektroden /um Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis die für die industrielle Ausnutzung annehmbare Lebensdauer bei Lichtbogenströmen über400 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 metallurgischen Verbindung steht (s. zum Beispiel 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 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 genannte nicht abschmelzende Elektrode fand an Anlagen zum Plasmaschneiden und Plasmaschweißen von Metallen bei Lichtbogenströmen bis 300 A Verwendung.
Bei der Plasmabearbeitung in Kohlendioxidmedium bei Lichtbogenströmen über 300 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 plasmabildcnden Medien, die Sauerstoff. Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthalten.
Diese nicht abschmelzende Elektrode weist einen Halter aus Kupfer und dessen Legierungen sowie einen aktiven Einsatz aus Hafnium auf (s. zum Beispiel US-PS 35 92 649).
Beim Betrieb dieser nicht abschmelzenden Elektrode in Kohlendioxidmedium tritt der aktive Hafniumeinsatz mit aktiven Bestandteilen des plasmabildenden Gases wie Kohlendioxid und Sauerstoff in chemische Wechselwirkung ein. Auf der gesamten wirksamen Oberfläche des aktiven Einsatzes bildet sich eine Hamiumoxykarbidsehicht, die eine höhere Tefnpefatüfwechselbeständigkeit und höhere Emissionseigenschaften als eine Zirkoniumoxykarbidschicht hat.
Die Lebensdauer einer solchen nicht abschmelzenden Elektrode läßt sich bei der Plasmabearbeitung in Kohlendioxidmedium bei Lichtbogenströmen bis 400 A einsetzen und ist höher im Vergleich zur Lebensdauer der Elektroden, die einen aktiven Zirkoniumeinsatz
haben.
Diese Lebensdauer ist jedoch zur Verwendung der Elektrode bei Lichtbogenströmen über 400 A wegen der Erhöhung der Erosionsgescnwindigkeit 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 iCohlendioxidbasis 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 Legierungszuschlägen 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 Lichtbogenbrennens. 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 Kathode 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 oben beschriebene Elektrode nach der US-PS 31 98 932 wird durch das Anbringen eines vorher j» chemisch behandelten aktiven Zirkoniumeinsatzes in einenKupferhalter und die gemeinsame Erwärmung des Halters und des aktiven Einsatzes zur Erreichung einer metallurgischen Verbindung zwischen dem aktiven Einsatz und dem Kupferhalter hergestellt. r.
Alle anderen oben beschriebenen Elektroden werden durch das mechanische Anbringen eines aktiven Einsatzes in einen Kupferhalter, z. B. durch das Kaltstanzenverfahren oder durch andere ähnliche Verfahren hergestellt. 4(1
Bei allen oben beschriebenen Elektroden entsteht eine Oxykarbidschicht des entsprechenden Materials eines aktiven Einsatzes beim Lichtbogewbrennen in Kohlendioxidmedium.
Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, die 4"> erwähnten Nachteile zu beseitigen.
Der vorliegenden Erfindung iiegt die Aufgabe zugrunde, 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 niedrig gekohlter ·'. 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 j< > 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 ':ine Hafniumoxykarbidschicht angeordnet ist. erfindungsgemäß der aktive Einsatz auch eine auf die Hafniumjxykarbidschicht 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 abschmelzenden Elektrode.
Es ist zweckmäßig, daß die Graphitmenge in der auf die Hafniumoxykarbidschicht aufgetragenen Graphitschicht durch die Höhe und den Durchmesser des aktiven Einsatzes bestimmt wird, die aus folgendem Verhältnis ausgewählt sind:
h=(025-0J5)d,
wobei
bei sind.
Höhe des aktiven Einsatzes und
Durchmesser des aktiven Einsatzes
Zur Erhöhung der Lebensdauer der E'ektrode, die mit der Bildung der Graphitschicht auf dem größten Teil und vorzugsweise auf der gesamten Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht und mit der ununterbrochenen Avifrechterhaltung 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 vorgeschlagen, die 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.
Das hängt damit zusammen, daß bei der Unterkühlung des Materials der Emissionsoberfläche 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 Einsatzes über 0.75 dessen Durchmessers werden die Verhältnisse des minimalen radialen Temperaturgradienten auf der Hafniumoxykarbidschicht so weit 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 bein? Herstellungsverfahren einer nicht abschmelzenden Elektrode zum Plasmaschweißen, das in der Verbindung eines Halters aus Kupfer oder dessen Legierungen mit einem aktiven Einsatz besteh!, erfindungsgemäß der Halter aus Kupfer oder dessen Legierungen an den Minuspol der Speisequelle angeschlossen wird, d.d nicht abschmelzende Elektrode in Kohlendio;:idmedium 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 utromwert des Lichtbogens bis 0,2 / gebildet, dann wird der Lichtbogenstrom von 0.2 bis auf L mit der Geschwindigkeit max. 40 A/sec. unicr der
Bildung einer Graphiischiehi auf der vorher gebildeten Hafniumoxykarbidschicht erhöhl, wobei / Betriebssirom der nicht abschmelzenden Elektrode ist.
Die Zeit der Bildung einer Hafniumoxykarbidschicht bei der Lichtbogenziindung 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 / des gesamten Betriebsstroines / der nicht abschmelzenden Elektrode beträgt.
Zur Anfangsbildung einer Hafniumoxykarbidschicht reicht es aus. im Anfangsmoment des Lichtbogenbrennens den Stromwert auf der Höhe bis 0.2 /des gesamten Betriebsstromes / aufrechtzuerhalten, während zur weiteren Bildung des Graphitüberzuges auf der wirksamen Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht es notwendig ist. den Lichtbogenstrom allmählich von 0.2 / bis auf den gesamten Betriebsstrom des Lichtbogens / mil der Geschwindigkeit rp.2.\. 40 A/sec zu erhöhen.
Wenn die allmähliche Erhöhung des Lichtbogenstromes /mit Werten über 0.2 /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.
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.
F i g. 2 Ansicht in Pfeilrichiung A in F i g. 1. Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbe'spiei der nicht abschmelzenden Elektrode. Ansicht in Pfeilrichtung .4 in F i g. I.
Fig.4 schematisch ein Blockschema, das Herstellungsverfahren der nicht abschmelzenden Elektrode erfindungsgemäß veranschaulicht.
Fig. 5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des J Lichtbogenstromwertes von der Zeit bei der Herstellung rier 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 Mohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis bei Lichtbogenströmen über 400 A die Erosionsgeschwindigkeit 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 abschmelzenden Elektrode mit der Erosion des aktiven Einsatzes und Eintauchen der Bogensäule in den sich bildenden Krater r 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 r· Erhöhung des Lichtbogenstromes über 400 A in Kohiendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis im Laufe einiger Stunden Stabil zu arbeiten.
[line Gefügeanalvse der wirksamen Oberfläche des aktiven Hafniumeinsat/es zeigte, dal! die Hafniumoxykarbidschioht 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 niehtabsehmelzendcn Elektroden, die eine hohe Erosionsgeschwindigkeit, haben, keinen Graphitüberzug hat.
Es wurde von den Erfindern ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der erhöhten Beständigkeit einer nicht abschmelz.enden Elektrode in Kohiendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis bei Lichtbogenströmen über 400 A und dem Vorhandensein einer Graphitschicht auf der wirksamen Oberflache einer Hafniumoxykarbidschicht. die die wirksame Oberfläche des aktiven Hafniumeinsatzes bedeckt, festgestellt.
Die Versuche zeigten, daß je ein grölirrer Teil dor 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 Randzone der wirksamen Oberfläche zum Zentrum geschieht, d. h. an den Stellen der Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht.lic die niedrigste Betriebstemperatur haben.
Nach Ansicht der Erfinder entsteht eine Graphitschicht auf der Oberfläche einer Hafniumoxidkarbidschicht als Ergebnis einer Umsetzung des Hafniumoxykarbides 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. 500° C beträgt. Damit läßt sich die versuchsweise beobachtete Bildung einer Graphitschicht in der Randzone der Oberfläche einer Hafniumoxykarbidschicht erklären, wo die Betriebstemperatur der Schicht einerseits minimal ist und andererseits einen geringen radialen Gradienten hat.
Eine weitere wesentliche Besonderheit der Umsetzung des Hafniumoxykarbides mit Kohlenoxid besteht darin, daß diese bei einem hohen absoluten Temperaturpegel über 2500° C 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 beim Lichtbogenströmen über 4O0A annehmbare Lebensdauer gewährleistet wird, wenn eine Graphitschicht bei der vorgeschlagenen Geometrie des aktiven Einsatzes beim Betrieb der nicht abschmelzenden Elektrode auf der Fläche mindestens 025 der gesamten wirksamen Fläche einer Hafniumoxy-
karbidschicht gebildet und ununterbrochen aufrechterhalten wird.
Im Zusammenhang damit wurde erfindungsgemäß eine nicht abschmelzende Elektrode /um Plasmaschweißen in Kohlcndioxidmcdium oder in Gemischen auf > Kohlendioxidbasis geschaffen, die einen Halter I [Fig. I], der aus Kupfer oder dessen Legierungen ausgemärt ist. und einen in ihm bündig angeordneten aktiven Einsatz 2 aus Hafnium enthält. Auf der Außenfläche des aktiven Einsatzes ist eine Schicht 3 aus in 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 ι > eine hohe Beständigkeit der nicht abschmelzenden Elektrode beim Plasmaschweißen in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis bei der Verwendung der erfindungsgeinäßen nicht abschmelzenden Elektrode als Katode eines Lichtbogen-Plasma- -"> brenners. Eine positive Wirkung besteht darin, daß die Verbindung der Schicht 3 aus Hafniumoxykarbid mit der Schicht 4 aus Graphit auf der Emissionsoberfläche des aktiven Einsatzes 2 aus Hafnium die Möglichkeit bietet eine nicht abschmelzende Elektrode mit einer r» minimalen Elektronenaustrittsarbeit zu erhalten. Eine Verminderung der Elektronenaustrittsarbeit gestattet beim vorgegebenen Lichtbogenstrom eine niedrigere Betriebstemperatur auf der Emissionsoberfläche der nicht abschmelzenden Elektrode zu erhalten, was den in Wärm.-fluß in die nicht abschmelzende Elektrode herabsetzt.
Im Ergebnis verringert sich die thermische Erosion des aktiven Einsatzes 2 und erhöht die Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode. r.
In Fig. 2. die eine nicht abschmelzende Elektrode seitens der wirksamen Oberfläche darstellt, deckt die Graphitschicht 4 die Hafniumoxykarbidschicht 3 teilweise. 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 abschmel- ='■ zenden Elektrode bei Strömen über 400 A 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 F i g. 3 bedeckt die Graphitschicht 4 vollständig die Hafniumoxykarbidschicht 3. In diesem Falle werden die maximalen Betriebseigenschaften der nicht abschmel- >"> zenden Elektrode realisiert, die ermöglichen eine Durchführung des Plasmaschweißens in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis bei Lichtbogenströmen bis 1000 A.
Nachstehend sind Beispiele der erfindungsgemäßen °° nicht abschmelzenden Elektrode und Erprobungsbeispiele der nicht abschmelzenden Elektrode beim Plasmaschweißen niedriggekohlter und niedriglegierter Stähle in Kohlendioxidmedium oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis angeführt. °5
Beispiel 1
In der nicht abschmelzenden Elektrode, die einen kupferhalier mit dem Durchmesser von 20 mm und einen aktiven I lafniumeinsat/ mit dem Durchmesser von J,b mm enthält, wurde auf der Oberfläche des aktiven Einsatzes eine Hafniumoxykarbidschicht gebildet, auf deren gesamten wirksamen Oberflächen eine Graphitschicht gebildet wurde.
Die Höhe des aktiven Einsatzes betrug 0,9 mm.
Die nicht abschmelzende Elektrode wurde in einem Plasmabrenner mit dem Düsendurchmesser von 11 mm beim Plasmaschweißen unter folgenden Parametern des Vorganges erprobt:
Werkstoff der zu schweißenden
Platten
Dicke der zu schweißenden
Platten, mm
plasmabildendes Gas
Verbrauch an plasniabildendem
Gas, l/h
niedriglegierter
Stahl
18+18
CO2
!000
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 mm 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
Dicke der zu schweißenden
Platte, mm
plasmabildendes Gas
Lichtbogenstrom, A
Verbrauch an plasmabildendem
Gas, l/h
niedriggekohlter
Stahl
12+12
Gemisch aus
90% CO2+10% O2
750
800
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 Gesamtbrenndauei- 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 Hafniumoxykar-
bidschichi wurde cine Graphitschiehi gebildet. 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 «-"wnißcndep niedriglegierter
Platten Stahl
Dicke der zu schweißenden 6 + 6
Platten, mm CO2
plasmabildendes Gas 450
Lichtbogenstrom, A
Verbrauch an plasmabildendem 300
Gas, l/h
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 Gesamtbrenndauer 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 3 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 mm beim Plasmaschweißen unter folgenden Parametern des Vorganges erprobt:
Werkstoff der zu schweißenden niedriglegierter •1
Platten Stahl
Dicke der zu schweißenden 8 + 8
Platten, mm CO2
plasmabildendes Gas 800
Lichtbogenstrom, A
Verbrauch an plasmabildendes 1000
Gas, l/h
Die Platten wurden in der unteren Lage ohne Abschrägen 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 Hafniumoxykarbidschicht 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 Minuspol der Lichtbogenspeisequelle angeschlossen ist. Davon zeugen die erfindungsgemäß durchgeführten Versuche, in deren Verlauf die mit dem Lichtbogen zu bearbeitende nicht abschmelzende Elektrode in den Pluspol der , l.ichtbogenspeisequellc angeschlossen war, d.h. eine Anode war. Ausnahmlos wurde in allen diesen Versuchen keine Graphitschicht auf der wirksamen 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 Lichtbogetizündung geschieht.
Während die Bedingungen der Bildung einer Haniumoxykarbidschicht [Lichtbogenstrom und Lichtbogenbrenndauer] sich in breiten Bereichen variieren können, sind die Bedingungen der Bildung einer Graphitschiehi auf der Hafniumoxykarbidschichi. 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 oben beschriebenen Bedingungen der Graphitüberzugserhaltung außer einer bestimmten Schaltung der zu bearbeitenden nicht abschmelzenden Elektrode in den Stromkreis der 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 (Fig.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 mit 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. 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 Ordinatenachse der Stromwert des Lichtbogens 10 und längs der Abszissenachse die zur Herstellung einer nicht abschmelzenden Elektrode aufgewandte Zeit abgestochen.
Aus der Untersuchung der Kurve 11 ist ersichtlich, daß nach der Zündung des Lichtbogens 10 im Laufe
Il
r < 0.5 sec bei dem Stromwert / des Lichtbogens 10, der ma\. 0.2 / ist. auf der Emissionsoberfläche des aktiven llafiiiumein::at/es 2 eine Hafniumoxykarbidschicht 3 gebildet wird, die die gesamte Emissionsoberfläche des aktiven Hafniumeinsat/es 2 bedeckt. Ohne das Lichtbogenbrennen /u unterbrechen, wird dann der Strom /des Lichtbogens 10 mit der Geschwindigkeit max. 40 A/sec bis auf gesamten Betriebsstrom / der nicht abschmelzenden Elektrode mit der Bildung auf der Hafniumoxykarbidsehicht 3 einer Graphitschicht 4 erhöht. Dann wird der Lichtbogen gelöscht. Wenn dabei die gesamte Brenndauer Γι < r < Γ2 beträgt, so bedeckt die Graphitschicht 4 die Hafniumoxykarbidschicht 3 nur teilweise, aber mindestens 0,25 Oberfläche der Hafniumoxykarbidschicht. Wen·!
40
see
wobei / 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 Kohlendioxidmediuni oder in Gemischen auf Kohlendioxidbasis ermöglicht im Laufe eines Zyklus des Lichtbogenbrennens auf einen aktiven Einsatz eine Hafniumoxykarbidschicht und auf diese eine Graphitschicht aufzutragen.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Nicht 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 ge- n, kennzeichnet, daß der aktive Einsatz (2) auch eine Schicht (4) aus Graphit aufweist, die auf nie Schicht (3) aus Hafniumoxykarbid aufgetragen ist
2. Nicht abschmelzende Elektrode nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitmenge in ι > 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:
/,=({VS5-0,75)</.
wobei
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