DE2702698C3 - Verfahren zum Herstellen von Elektroden für den Einsatz als Lichtbogenelektroden in Argon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Elektroden für den Einsatz als Lichtbogenelektroden in Argon nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Herstellung derartiger Elektroden ist aus der FR-PS 22 70 048 bekannt

Zur Reduzierung der Elektronenaustrittsarbeit bei als Kathoden eingesetzten Elektroden ist es bereits bekannt, Hafnium als Elektrodenmaterial zu verwenden. Die Elektrode muß während ihres Einsatzes ständig mit Sauerstoff, Stickstoff oder einem Kohlenstoff enthaltenden Gas in Kontakt stehen, damit sich auf der Elektrodenoberfläche eine schwer schmelzbare Haut aus Hafniumoxyden, Hafniumnilrid oder Hafniumkarbid bilden kann. Bei diesen Einsatzbedingungen der Hafniumelektrode ergibt sich eine lange Standzeit bei Bogenströmen von nicht mehr als 300 A, bei höheren Bogenströmen v/ird die Standzeit der Elektrode entsprechend reduziert (DE-AS 19 07 253).

Wenn eine solche Elektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens in Argon verwendet wird, fehlt die Ausbildung der schwer schmelzbaren Haut, die Elektronenaustrittsarbeit ist erheblich höher und ein Schmelzen der Elektrode ist nicht auszuschließen.

Zum Stand der Technik gehört weiterhin eine Elektrode mit einem wassergekühlten Halter aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und aus einem in dem Halter angeordneten Einsatz, der aus einem Material mit hohem Emissionsvermögen besteht. Einsatzmaterialien sind Oxyde von Thorium, Zirkon, Zer, Yttrium, Tantal, Magnesium, Lanthan, Gadolinium, Calcium, Strontium sowie Mischungen dieser Oxyde mit Calcium- oder Bariumoxyd. Diese Elektroden haben auch dann lange Einsatzzeiten bei Strömen von mehr als 200 A, wenn sie zusammen mit Gasen, wie Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Stickstoff oder Stickstoff-Wasserstoff-Gemischen eingesetzt werden, wobei sich besonders Zirkon, jedoch auch Thorium, Strontium, Lanthan oder ihre Oxyde eignen. Das Material des Einsatzes bildet mit dem jeweiligen Gas eine Verbindung, die ihrerseits gute Emissionseigenschaften, d. h. eine geringe Elektronenaustrittsarbeit, aufweisen (US-PS 31 98 932).

Wenn diese Elektroden zusammen mit Inertgasen verwendet werden, werden derartige Verbindungen nicht gebildet, so daß deren Elektronenaustrittsarbeit auch nicht erreicht werden kann.

Bei der eingangs beschriebenen Elektrode sind die Bereiche der Betriebsströme, innerhalb derer ein stabiles Arbeiten möglich ist, relativ klein. Ein Oberschreiten oder Unterschreiten dieser Bereiche führt zu einem Instabil werden des Lichtbogens. Man hat versucht, eine Erweiterung dieses Bereiches durch Änderung der Elektrodengeometrie zu erzielen, indem beispielsweise der Durchmesser oder der Spitzenschrägungswinkel verändert wurde. Es hat sich jedoch ίο gezeigt, daß nur ein maximales Verhältnis der Ströme der unteren Grenze zu denen der oberen Grenze von 1 :5 erreichbar ist

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß die damit erhaltenen Elektroden in ihrem gesamten Arbeitsbereich der Ströme eine ausgezeichnete Lichtbogenstabilität in allen räumlichen Lagen der Elektroden aufweisen, wobei gleichzeitig eine Reduzierung des Wärmestroms und des Spannungsabfalls an der Kathode erreicht werden soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die erhaltenen Elektroden eine beträchtlich gesteigerte Emissionsaktivität, eine erheblich verringerte Austri'tsarbeit der Elektronen und eine gute Lokalisierung des Kathodenflecks aufweisen. Dadurch

ίο kann der Arbeitsstrombereich beträchtlich erweitert werden. Die Wärmeverluste an der Elektrode und der Spannungsabfall an der Kathode sind erheblich verringert. Die gute Stabilisierung und räumliche Lokalisierung des Lichtbogens ergibt sich im gesamten Regelbereich des Arbeitsstroms. Außerdem sind die Einsatzzeiten der Elektroden im Argonbogen sehr lang. Wenn die erfindungsgemäßen Elektroden als Kathoden in Argon bei hohen Strömen über 500 A bestimmt sind, wird zweckmäßigerweise Stickstoff für die Elektrodenbehandlung verwendet. Wenn die Elektrode in Argon bei niedrigen Strömen von beispielsweise 0,1 A bestimmt ist, wird zur Behandlung zweckmäßigerweise Sauerstoff eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Regenerierung von im Einsatz befindlichen erfindungsgemäß aktivierten Elektroden verwendet werden.

Anhand der Zeichnungen und der nachstehend angeführten Beispiele wird die E-findung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Aktivierung von Elektroden gemäß der Erfindung,

Fig.2 in einer Einzelheit im Schnitt eine Elektrode mit einem Einsatz und

Fig. 3 in einem Diagramm die Strom-Spannungs-Kennlinien erfindungsgemäß aktivierter Elektroden.

Zur erfindungsgemäßen Aktivierung von Elektroden wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, zwischen einer zu aktivierenden Elektrode 2, die mit dem Minuspol einer Stromquelle 3 verbunden ist, und einer Anode 4, die am

fco Pluspol der Stromquelle 3 angeschlossen ist, in Argon ein Lichtbogen 1 gezündet. Der Strom des Lichtbogens wird so eingestellt, daß er den Arbeitsstromwert, der für die unbehandelte Elektrode maximal zulässig ist, nicht überschreitet. Aus einer Flasche 5 wird über einen Durchflußmesser 6 und eine Düse 7 dem Lichtbogen f Argongas zugeführt. Aus einer Flasche 9 wird über ein Ventil 8 und einen Durchflußmesser 10 als aktives Gas Stickstoff oder Sauerstoff zugeführt, der durch die Düse

7 zusammen mit dem Argon in den Kathodenbereich des Lichtbogens 1 gelangt Die Volumenkonzentration des Stickstoffs bzw. Sauerstoffs im Gemisch mit Argon wird so eingestellt, daß sie 0,1 bis 100% beträgt Der Stickstoff oder der Sauerstoff bildet mit einem der Elemente, die sich an der Kathodenoberfläche befinden, an der Kontaktstelle mit dem Lichtbogen eine Verbindung, deren Elektronenaustrittsarbeit nicht über

3 eV liegt Nach einem Zeitraum, der wenigstens um das Hundertfache geringer ist als die spätere Betriebszeit der Elektrode in Argon, wird das Ventil 8 geschlossen, die Argonzufuhr unterbrochen und die Stromquelle 3 abgeschaltet, so daß der Lichtbogen 1 erlischt. Die aktivierte Elektrode 2 ist nun für die eigentliche Verwendung als Kathode von Lichtbogen- oder Plasma Vorrichtungen bereit

Beispiel 1

Es wird eine Elektrode genommen, die aus einem Woiframstab 11 (F i g. 2) von einem Durcnmesser von

4 mm und einer Länge von 45 mm sowie einem aktiven Einsatz 12 besteht, der eine blinde zylindrische Bohrung im Wolframstab von einer Tiefe von 4 mm und einem Durchmesser von 1,5 mm darstellt die mit Zeroxid gefüllt ist

Die vorherige Bearbeitung der Elektrode in einem Sauerstoff enthaltenden Lichtbogen wurde auf die folgende Weise durchgeführt Die Bearbeitung wurde beim Brennen des Lichtbogens gemäß Fig. 1 durchgeführt, so daß die zu bearbeitende Elektrode als Kathode funktionierte. Mit Hilfe der Stromquelle 3 wurde der Lichtbogen I mit einem Strom von 50 A in Argon gezündet, dessen Verbrauch 0,3 g/sek betrug. Nach lOsek, wenn der aktive Einsatz 12 (Fig. 2) genügend erhitzt war, wurde Sauerstoff (10%-iger Zusatz von Sauerstoff zum Argon) 1 sek lang zugeführt. Nach 1 sek wurde die Sauerstoffzuführung abgestellt.

Nach der Bearbeitung mit dem Sauerstoff hat diese Elektrode Prüfungen im Lichtbogen mit Argon 8 Stunden lang durchgemacht. Die Prüfungen haben ergeben, daß die Elektrode Stabilisierung und räumliche Lokalisierung des Lichtbogens in Argon in einem Bereich von 5 bis 200 A gewährleistet, wobei der Arbeitsstrom nach den beiden Seiten hin geregelt werden kann.

Mehrfache Ein- und Abschaltungen des Lichtbogens mit Strömen von 5 bis 200 A haben gleichfalls gezeigt, daß die Elektrode in Argon im stabilisierten Lichtbogenzustand arbeiiet.

Beispiel 2

Es wurde eine zylindrische Stabelektrode aus Titan mit einem Durchmesser von 4 mm und einem aktiven Einsatz aus Samariumoxid hergestellt. Das Samariumoxid ist in eine blinde Bohrung an der Stirnfläche der Elektrode eingepreßt, deren Tiefe 4 mm und Durchmesser 1,5 mm beträgt.

Es wurde die Bearbeitung der Elektrode in einem Stickstoff enthaltenden Lichtbogen durchgeführt. Hierzu wurde die Elektrode 2 (F i g. 1) an den negativen Pol der Stromquelle 3 angeschlossen. An der Elektrode wurde während 5 sek der Liunbogen 1 mit einem Strom von 20 A im Gemisch des Argons mit dem Stickstoff gezündet. Der Argon verbrauch betrug 0,3 g/sek, die Volumenkonzentration des Stickstoffs im Gemisch 20%.

Danach wurde die Stickstoffzuführung abgestellt. Es wurde eine Prüfung der Elektrode in Argon durchgeführt Der maximal zulässige Stromwert an der Elektrode betrug 300 A. Die Prüfungen der Elektrode in Argon wurden unter folgenden Bedingungen durchgeführt: zuerst wurde der Bogen mit einem Strom von 20 A gezündet danach wurde die Stromstärke bis auf einen bestimmten Wert erhöht, und dann wurde der Bogen abgeschaltet Eine nächste Einschaltung erfolgte erneut mit einem Strom von 20 A. Die Stromregelung von 20 bis 300 A erfolgte mit einem Schritt von 20 A mit nachfolgender Abschaltung des Lichtbogens, d. h. der Lichtbogen wurde mit Strömen von 20, 40, 60 ... 300 A abgeschaltet Die Prüfungen, die 2 Stunden lang gedauert haben, ergaben, daß die Elektrode in Argon im stabilisierten Lichtbogenzustand innerhalb eines Stromregelungsbereiches nach den beiden Seiten von 40 bis 300 A arbeitet

Beispiel 3

Die Elektrode bestand aus einem Wolframhalter mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Länge von 30 mm mit einem aktiven Einsatz, der eine blinde Bohrung an der Stirnfläche des Wolframstabes mit einer Tiefe von 4 mm und einem Durchmesser von 1,5 mm darstellte, die mit einem Yttriumoxid gefüllt war. Die Elektrode 2 (Fig. 1) wurde an den negativen Pol der Stromquelle 3 angeschlossen, an der Elektrode wurde der Lichtbogen in Argon mit einer Stromstärke von 5 A während 10 sek gezündet. Nach 10 sek wurde Sauerstoff zugeführt, die Volumenkonzentration von Sauerstoff im Gemisch betrug 0,1%. Die Bearbeitung im Gemisch von Argon und Sauerstoff wurde im Lichtbogen 30 sek lang durchgeführt, danach wurde die Sauerstoffzuführung abgestellt. Die in Argon durchgeführten Prüfungen ergaben, daß die Elektrode die Stabilisierung des Lichtbogens bei der Reduzierung des Stromes auf 0,2 A gewährleistet. Der maximale Zündstrom des Lichtbogens betrug 0,3 A. Der Spannungsabfall an der Kathode wurde im gesamten Strombereich erheblich vermindert.

Die Prüfungen der Kathode, die die Bearbeitung in einem Sauerstoff enthaltenden Lichtbogen ausgehalten hat, wurden zusammen mit der Ausgangskathode durchgeführt, die keine vorherige Bearbeitung hinter sich hatte. Gleichzeitig wurden Prüfungen von Kathoden aus thoriertem Wolfram und Kathoden aus yttriertem und lantaniertem Wolfram durchgeführt. Die Stabkathoden aus thoriertem, lantaniertem und yttriertem Wolfram mit einem Durchmesser von 2,5 mm waren konisch geschärft mit einem Zuschärfwinkel von 20 bis 30°.

Im Laufe der Prüfungen wurden der Arbeitsstrombereich, der minimale Zündstrom des Lichtbogens und die Voltamperecharakteristiken bestimmt.

Die Prüfungen haben folgendes ergeben: der minimale Zündstrom des Lichtbogens an der Wolframkathode mit einem Einsatz aus Yttriumoxid betrug 5 A, an thoriertem Wolfram 3 A, an lantaniertem und yttriertem Wolfram 3 A.

Demgegenüber betrug der minimale Zündstrom des Lichtbogens an der Wolframelektrode mit einem Einsatz aus Yttriumoxid, die die Bearbeitung in Sauerstoff durchgemacht hat, 0,3 A.

Die Stabilisierung und räumliche Lokalisierung des Lichtbogens an Elektroden aus thoriertem, lantaniertem und yttriertem Wolfram werden bei Stromverringerung bis auf 1,8 gestört. Demgegenüber war die Störung der Bogenstabilisierung an der nach dem erwähnten Verfahren bearbeiteten Elektrode bei Stromverringerung bis auf 0,2 A nicht festgestellt worden.

Die verhältnismäßigen Voltamperecharakteristiken aller geprüften Elektroden sind in F i g. 3 dargestellt, wo auf der Ordinatenachse Spannungsabfallwerte im Lichtbogen in Volt, auf der Abszissenachse aber Stromwerte in Ampere aufgetragen sind. Die Voltamperecharakterisiik 13 der im Sauerstoff bearbeiteten Elektrode liegt beträchtlich tiefer als die Charakteristiken der Elektroden aus thoriertem 14, lantaniertem 15 und yttiertem 16 Wolfram. Der Spannungsabfall im Lichtbogen für eine im Sauerstoffbogen bearbeitete Kathode ist bei niedrigen Strömen ums 2fache kleiner als bei den bekannten Kathoden, was eine wesentliche Rolle beim Konstruieren von Stromquellen spielt.

Beispiel 4

Das vorliegende Beispiel veranschaulicht das Verfahren zur periodischen Bearbeitung der Elektrode bei der fortwährenden Arbeit derselben im Argonbogen während des Kupferschweißens mit negativer Polung. Die Elektrode stellte einen Wolframstab mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Länge von 45 mm dar. An der Stirnfläche des Wolframstabes war eine blinde Bohrung ausgebohrt, in die ein Einsatz aus Hafnium mit einem Durchmesser von 1,5 mm und einer Länge von 5 mm eingepreßt war.

Der Lichtbogen wurde in Argon an der Auslaufplatte gezündet. Während des Bogenbrennens an der Auslaufplatte mit einem Strom von 200A wurde dem Kathodengebiet ein Gemisch von Argon und Stickstoff (20% Stickstoff) 5 bis 8 sek lang zugeführt. Beim Herannahen des Lichtbogens an den Beginn des Arbeitsabschnittes der Schweißnaht wurde die Stickstoffzuführung abgestellt, der Strom wurde bis auf 1000 A erhöht, und der Schweißprozeß wurde in Argon durchgeführt. Nach Passieren der Schweißnaht und

ic Austritt des Lichtbogens auf die Auslaufplatte wurde der Strom erneut bis auf 200 A reduziert, und es wurde eine Wiederzuführung von 20% Stickstoff 5 bis 8 sek lang vorgenommen. Der Zusatz von 20% Stickstoff beim Verweilen des Lichtbogens an der Auslaufplatte

's und bei der Verschiebung der Kathode von einer geschweißten Stoßstelle zur anderen (5 bis 8 sek) gewährleistete eine zuverlässige Arbeit der Elektrode in Argon und eine exakte Stabilisierung des Lichtbogens während des Durchlaufens durch die Schweißnaht

Das Verfahren zur periodischen Bearbeitung gewährleistete eine 20fache Zeitreserve der Tauglichkeit der Elektrode zum Arbeitseinsatz in Argon. Nach 10 Stunden Arbeit wies die Elektrode keine merklichen Zerstörungen auf und gewährleistete eine zuverlässige Arbeit mit Strömen von 1000 bis 1200 A.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Elektroden für den Einsatz als Lichtbogenelektroden in Argon, die wenigstens am Lichtbogenansatzpunkt Seltenerdmetall, Erdalkalimetalle, Elemente der Gruppe IV A des periodischen Systems und Verbindungen dieser Elemente einzeln oder in Kombination aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode für eine festgelegte Zeit in einer 0,1 bis 100 VoL-% Sauerstoff oder Stickstoff, Rest Argon, enthaltenden Atmosphäre als Kathode eines Lichtbogens betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der festgelegte Zeitraum mindestens um das lOOfache geringer als die Einsatzzeit der so behandelten Elektrode ist.