DE1515230C - Nichtabschmelzende Elektrode für Lichtbogen-Arbeitsvorgänge - Google Patents
Nichtabschmelzende Elektrode für Lichtbogen-ArbeitsvorgängeInfo
- Publication number
- DE1515230C DE1515230C DE1515230C DE 1515230 C DE1515230 C DE 1515230C DE 1515230 C DE1515230 C DE 1515230C
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- insert
- electrode
- silver
- holder
- arc
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 31
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 31
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 229910052776 Thorium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- ZSLUVFAKFWKJRC-UHFFFAOYSA-N thorium Chemical compound [Th] ZSLUVFAKFWKJRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 19
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 11
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 8
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000003628 erosive Effects 0.000 description 7
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 6
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 6
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 5
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 description 4
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 4
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 description 2
- NDVLTYZPCACLMA-UHFFFAOYSA-N Silver oxide Chemical compound [O-2].[Ag+].[Ag+] NDVLTYZPCACLMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N Zirconium nitride Chemical compound [Zr]#N ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative Effects 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 when used Substances 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- 241001156002 Anthonomus pomorum Species 0.000 description 1
- 229910000967 As alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N HF Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000530268 Lycaena heteronea Species 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 240000000969 Verbascum thapsus Species 0.000 description 1
- JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L Zinc chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Zn+2] JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- DUNKXUFBGCUVQW-UHFFFAOYSA-J Zirconium(IV) chloride Chemical compound Cl[Zr](Cl)(Cl)Cl DUNKXUFBGCUVQW-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- SHHIADHOJKLUIZ-UHFFFAOYSA-N azane;molecular hydrogen Chemical compound N.[H][H] SHHIADHOJKLUIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000040 hydrogen fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001771 impaired Effects 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 230000001846 repelling Effects 0.000 description 1
- 150000003378 silver Chemical class 0.000 description 1
- 229910001923 silver oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000002459 sustained Effects 0.000 description 1
- ZCUFMDLYAMJYST-UHFFFAOYSA-N thorium dioxide Chemical compound O=[Th]=O ZCUFMDLYAMJYST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003452 thorium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000005074 zinc chloride Nutrition 0.000 description 1
- 239000011592 zinc chloride Substances 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Description
Die Erfindung betrifft eine nichtabschmelzende Elektrode zur Durchführung von Arbeitsvorgängen
unter Verwendung eines Lichtbogens in Gegenwart eines reaktionsfähigen Gases mit einem flüssigkeitsgekühltcn
metallischen Halter hoher Wärmeleitfähigkeit und einem in einer Ausnehmung am vorderen
Ende des Halters angeordneten Einsatz aus einem Elektronen emittierenden Werkstoff.
Seit Jahren werden elektrisch leitende Werkstoffe, beispielsweise Wolfram, als Hochleistungselektroden
in Lichtbogenvorrichtungen verwendet. Es ist dabei bekannt (deutsche Patentschrift 805 899), die Emissionsfiihigkeit
der Elektrode durch Beimischung von geeigneten Metalloxyden, insbesondere Thoriumoxyd,
zu erhöhen. Derartige Elektroden lassen sich bei Stromstärken von mehreren tausend Ampere verwenden,
ohne praktisch abzuschmelzen. Das gilt jedoch IHU' für im wesentlichen inerte Gasatmosphären,
wie Argon und Helium. Werden chemisch reaktionsfähige Gase, ζ. B. Sauerstoff, Kohlendioxyd oder
Methan, verwendet, schmelzen die Elektroden aus wärmebeständigem Metall rasch ab.
Elektroden aus Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt und hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise
Kupfer, Silber und Aluminium, sind bekanntlich als Anode in vielen reaktionsfähigen Gasen gegen Beschädigungen
widerstandsfähig. Diese Werkstoffe mit niedrigem Schmelzpunkt lassen sich jedoch nicht als
Kathoden bei hohen Stromstärken ohne ein spezielles Schutzmittel, wie beispielsweise magnetische Rotation
des Lichtbogens, verwenden.
Es ist auch bekannt (USA.-Patcntschrif ten 2 768 279
und 3 016 447), einen Elektrodenhalter aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit und verhältnismäßig
niedrigem Schmelzpunkt, z. B. Kupfer oder Silber, mit einem Einsatz aus einem schwerschmelzenden
Werkstoff, wie Wolfram oder Tantal, zu bestücken. Obwohl derartige zusammengesetzte Elektroden
wegen der durch den Einsatz gebildeten verringerten Lichtbogenansatzfläche zu verbesserter
, Lichtbogenstabilität führen, ist ihre Lebensdauer in reaktionsfähigen Atmosphären unerwünscht kurz.
Das gilt selbst dann, wenn das den Einsatz bildende Wolfram in ebenfalls bekannter Weise (USA.-Patentschrift
2 922 869) in eine Ausnehmung des Elektrodenhalters gegossen wird. Während des Gießvorganges
können nämlich leicht Oxydeinschlüsse und Zonen mit mangelhafter metallurgischer Bindung an
den Grenzflächen von Einsatz und Elektrodenhalter entstellen. Infolgedessen ist es schwierig, wenn nicht
unmöglich, bei einer Serienfertigung für einen gleichbleibend guten Wärmeübergang zwischen Einsatz
und Elektrodenhalter zu sorgen. Die Folge sind Überhitzungen des Einsatzes im Betrieb.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode zu schaffen, bei der die.Erosion auch in
Gegenwart von reaktionsfähigen Gasen verringert ist.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Elektrode der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß der Einsatz im wesentlichen aus metallischem' Thorium, Zirkonium, Strontium oder
Lanthan besteht und mit den Wandungen der Ausnehmung des Halters mittels einer Bindung aus Silber
metallurgisch verbunden ist. Bei der Elektrode nach der Erfindung wird die Wärme besonders wirksam
von dem Einsatz auf den Halter abgeleitet. Auf Grund der I.egieruiigseigenschaften und der Oberflächenspannung
von Silber werden andere Metalle ohne weiteres mit Silber überzogen und vereinigt.
Außerdem zerfällt das Oxyd von Silber bei der verhältnismäßig niedrigen Temperatur von 300° C, so
daß sich .an der Grenzfläche von Einsatz und Elektrodenhalter
keine schwerschmelzenden Oxydeinschlüsse bilden können. Die in der Bogenansatzzone
auftretende Temperatur läßt sich infolgedessen unterhalb der Temperatur halten, bei der reaktionsfähige
Gase einen raschen Abbrand des Einsatzes
ίο bewirken. Da weiterhin metallisches Silber nicht als
Elektronenemitter wirkt, trügt die den Einsatz umgebende Silberbindung dazu bei, den Lichtbogen am
Überspringen auf die benachbarte oxydierte Stirnfläche des Elektrodenhalters zu hindern.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Einsatzwerkstoff mit Silber legiert sein oder aus
Teilchen bestehen, die untereinander und mit den Wandungen der Ausnehmung des Halters mittels
einer Bindung aus Silber vereinigt sind. Das Silber erfüllt dabei den doppelten Zweck, die Wärme innerhalb
des Einsatzes zu verteilen und rasch an die Wandungen der Ausnehmung abzugeben.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Aufriß einer erfindungsgemäßen Elektrode im Schnitt, und
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Brenners
mit einer Elektrode gemäß Fig. 1.
Wie aus F i g. 1 hervorgeht, weist die Elektrode E einen metallischen Halter 1 und einen mit diesem
metallurgisch verbundenen Einsatz 5 auf. Der für den Halter verwendete Werkstoff muß hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzen. Beispiele geeigneter Metalle sind Kupfer, Silber, Aluminium, Messing, Molybdän,
Wolfram, Kolumbiiim, Tantal und Stahl sowie Legierungen,
die größere Mengen von mindestens einem dieser Metalle enthalten. Der Halter 1 ist mit einer
Kühlkammer 3 versehen, in der während des Betriebes ein Kühlmittel zirkuliert. An der Stirnfläche
des Halters 1 befindet sich eine Ausnehmung, in der der aus einem hoch emissionsfähigen Werkstoff gefertigte
Einsatz 5 sitzt.
Bei einem guten Elektronenemitter ist die Austrittsarbeit
niedrig. Je niedriger die Austrittsarbeit ist, desto geringer ist die für eine Elektronenemission
erforderliche Temperatur, wodurch andererseits das Problem der Wärmeableitung vermindert wird. Lanthan,
Strontium, Zirkonium und Thorium sind unter diesem Gesichtspunkt äußerst brauchbare Einsatzwerkstoffe
für einen Betrieb in der normalen Außenatmosphäre oder in anderen reaktionsfähigen Gasen.
Zirkonium kann unter anderem bei reaktionsfähigen Gasen wie Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Methan,
Stickstoff oder Gemischen aus Stickstoff und Wasserstoff mit Erfolg verwendet werden, da es mit dem
verwendeten Gas eine Verbindung eingeht, die selbst ein guter Emitter ist. So bildet sich beispielsweise
beim Betrieb in einer Stickstoffatmosphäre Zirkoniumnitrid.
Um bei hohen Stromstärken eine lange Betriebslebensdauer zu gewährleisten, muß für eine gute
Wärmeableitung gesorgt werden. Die Wasserkühlung des Halters verhindert, daß sich der Lichtbogen am
Halter festsetzt. Auch der Einsatz· muß zur Verhinderung
übermäßiger Verdampfung hinlänglich gekühlt werden. Er darf jedoch nicht so weit gekühlt werden,
daß er ein schlechter Emitter wird. Die Erosion des
Einsatzes, die hauptsächlich zu einem Versagen der Elektrode führt, kann durch Verdampfen oder Abstoßen
geschmolzener Tropfen von der freiliegenden Fläche A (Fig. 1) erfolgen. Eine gute Wärmeableitung
von dieser Fläche ist daher zur Verminderung der Erosion von Bedeutung.
Der dem Wärmeübergang von der Fläche A des Einsatzes zum Kühlwasser entgegenwirkende Widerstand
läßt sich in vier Anteile unterteilen, und zwar:
1. Wärmeübergang durch den Einsatz von der Fläche A zur Fläche B,
2. Wärmeübergang über die Fläche B,
3. Wärmeübergang durch den Halter zur Fläche C,
4. Wärmeübergang von der Fläche C zum Kühlwasser.
Um die auf die Fläche C übergehende Wärme rasch abzuführen, wird für einen Kühlmittelumlauf
im Halter gesorgt. Die Wärmeableitung über die Fläche B wird durch die metallurgische Bindung
zwischen dem Einsatzwerkstoff und dem Halter verbessert. Beispielsweise wird eine Bindung, die eine
gute Wärmeableitung zwischen einem Zirkoniumeinsatz und einem Kupferhalter sicherstellt, wie folgt
erhalten: Zunächst wird eine Zirkoniumstange in einer sauren Lösung (Gemisch aus Fluorwasserstoff
und Salpetersäure) gereinigt. Dann wird Zinkchlorid geschmolzen und wird das Zirkonium darin eingetaucht,
was zur Bildung von Zirkoniumchlorid und freiem Zink führt, das sich auf dem Zirkonium absetzt.
Sodann wird Silber geschmolzen. Der Einsatz wird in dieses Silber eingetaucht und erhält auf diese
Weise einen Silberüberzug. Der mit dem Silberüberzug versehene Zirkoniumeinsatz wird in die Ausnehmung
eingeführt. Es erfolgt dann eine Erhitzung, bis das Silber um den Einsatz herumfließt.
. Silberzusätze zu Pulvern aus Zirkonium, Lanthan, Thorium oder Strontium verlängern die Lebensdauer der Elektrode gegenüber Pulvereinsätzen ohne Silberzusatz. Das Silber verbessert den Wärmeübergang aus dem Einsatz, ohne dessen Austrittsarbeit erheblich zu steigern. Das Silber kann als Pulver mit dem pulverförmigen Einsatzwerkstoff gemischt oder mit diesem legiert werden.
. Silberzusätze zu Pulvern aus Zirkonium, Lanthan, Thorium oder Strontium verlängern die Lebensdauer der Elektrode gegenüber Pulvereinsätzen ohne Silberzusatz. Das Silber verbessert den Wärmeübergang aus dem Einsatz, ohne dessen Austrittsarbeit erheblich zu steigern. Das Silber kann als Pulver mit dem pulverförmigen Einsatzwerkstoff gemischt oder mit diesem legiert werden.
Die Wärmeableitung durch den Einsatz selbst hindurch wird dadurch erhöht, daß ein Werkstoff
hoher Dichte, der praktisch frei von Luftzwischenräumen und Poren ist, vorgesehen wird. Unter »hoher
Dichte« soll bei Metallen eine Dichte von etwa 90 °/u
der theoretischen Dichte und bei Metallverbindungen eine Dichte von etwa 85 % verstanden werden.
Vorzugsweise hat der Einsatz zylindrische Form. Optimale Arbeitsbedingungen werden erhalten, wenn
der Zylinder ungefähr 1,6 bis 12,7 mm lang ist. Bei einem zu kurzen Einsatz ist eine ungenügende Metallmenge
vorhanden, um der Erosionswirkung des Lichtbogens zu widerstehen. Wenn andererseits der
Einsatz zu lang ist, kann die Erosion so weit gehen, daß eine Doppelbogenbildung an der Innenfläche der
Elektrodenausnehmung für den Einsatz auftritt. Besonders zweckmäßig ist eine Einsatzlänge· von ungefähr
3,2 mm. Neben zylindrischen Einsätzen sind auch ring- oder rohrförmige Einsätze, unregelmäßig
geformte Einsätze und Mehrfacheinsätze verwendbar. Werden Mehrfacheinsätze benutzt, ist der Gesamtwert
der Strombelastbarkeit höher, da jeder der Einsätze etwa den gleichen Strom wie eine Elektrodenanordnung
der in Fig. 1 veranschaulichten Art übernehmen kann, die einen Einsatz gleicher Größe
hat.
Unabhängig von der verwendeten Einsatzform sind für einen stabilen Lichtbogenbetrieb und eine gute
Strombelastbarkeit der Elektrode gewisse Beziehungen der Abmessungen von Elektrodeneinsatz und Elektrodenkörper
einzuhalten. Dabei hat der Abstand zwischen dem Einsatz und der Kühlkammer beträchtliche
Bedeutung. So betrug die Lebensdauer eines
ίο Einsatzes der in Fig. 1 gezeigten Form bei einer
Einsatzlänge von 3,2 mm und einer Stromstärke von 300 A eine Stunde, wenn die Kühlkammer einen Abstand,
von 3,2 mm von der Fläche A des Einsatzes hatte. Unter den gleichen Bedingungen wurde bei
einem Abstand der Kühlkammer von 8,0 mm von der Einsatzfläche die Lebensdauer des Einsatzes auf
etwa 3l/4 Stunden verlängert. Bei einem Abstand der
Kühlkammer von 12,7 mm betrug die Lebensdauer etwa 4 Stunden. Wurde der Abstand auf 15,8 mm
erhöht, fiel die Lebensdauer jedoch auf 2 Stunden ab.
Fig. 2 zeigt einen mit der Elektrode nach Fig. 1
ausgestatteten Schneidbrenner. Die Elektrode E ist auf einen Elektrodenkörper 10 aufgeschraubt. In
diesem sitzt ein Rohr 12, über das der Kühlkammer3 des Elektrodenhalters 1 Kühlmittel zugeführt wird.
Das umlaufende Kühlmittel verläßt den Brenner über einen Kanal 18 und einen Kühlmittelauslaß 20. Ein
reaktionsfähiges Gas, z. B. Sauerstoff, wird in den Brennerkörper über einen Gaseinlaß 22 eingeführt
und gelangt durch eine Ringkammer 24 hindurch nach unten in die Lichtbogenzone. Eine Düse 26
umgibt die Elektrode und schnürt den Lichtbogen ein. Die Düse 26 wird dadurch gekühlt, daß ihr über
einen Einlaß 28 Wasser zugeführt wird, das einen Kanal 30 durchströmt und aus einem Auslaß 32
austritt.
Meistens wird das Gas derart in den Brenner eingeführt, daß es diesen in axialer Richtung verläßt.
In. einem solchen Falle liegt der Einsatz vorzugsweise
-40 bündig mit der Stirnfläche des Eektrodenhalters. Das
Gas kann jedoch auch so in den Brenner eingeleitet werden, daß ein Wirbel erhalten wird. In einem
solchen Falle ist der Einsatz vorzugsweise gegen die Stirnfläche des Halters zurückgesetzt, um die Elektrodenerosion
kleinstmöglich zu halten.
Der Lichtbogen wird zwischen dem Einsatz 5 und einer Anode 36 ausgebildet. Während die Elektrode
nach der Erfindung insbesondere als Kathode bei Gleichstrombetrieb geeignet ist, kann sie auch bei
Verwendung von Wechselstrom eingesetzt werden. Der Sauerstoff strömt um die Elektrode E herum
und tritt aus der Düse 26 aus. Der erhaltene Hochleistungslichtbogen ist zum Schneiden von Metallen
geeignet.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann in Lichtbogenbrennern verwendet werden, die mit übertragenem
oder nichtübertrageriem Lichtbogen arbeiten, das heißt, bei denen die zweite Elektrode entweder
das Werkstück oder die Düse ist. Das beim Arbeiten in einer reaktionsfähigen Gasatmosphäre, z. B.Sauerstoff,
als Einsatz zu verwendende Metall muß bei Reaktion mit der gasförmigen Atmosphäre eine Verbindung
bilden, die einen hohen Schmelzpunkt, eine niedrige Austrittsarbeit und einen hohen Siedepunkt
aufweist. Für das Schneiden mit einem Lichtbogengas wie Sauerstoff, Stickstoff oder einem Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch
eignet sich am besten eine Elektrode mit einem wassergekühlten Kupferhalter
und einem Einsatz aus Zirkoniummetall, die metallurgisch miteinander verbunden sind.
' Die Elektrode kann auch ohne Düse verwendet werden. In einem solchen Fall ist die Äußenatmosphäre
das Lichtbogengas und besteht der Elektrodenhalter vorzugsweise aus Silber. Wenn das den
Einsatz umgebende Elektrodenmaterial oxydiert, kann das Oxyd als Elektronenemitter wirken. Ein
Teil des Lichtbogenstromes geht daher auf den umgebenden Elektrodenbereich über, wodurch die
Lichtbogenstabilität beeinträchtigt wird. Kupferoxyd verhält sich in dieser Beziehung besonders ungünstig.
Dagegen ist Silberoxyd verhältnismäßig instabil, es zerfällt bei Lichtbogentemperaturen. Folglich ist auf
der Silberoberfläche kein Emitter vorhanden, der eine Lichtbogenbildung bewirkt, wie dies bei Kupferoxyd
der Fall ist, das sich unter ähnlichen Bedingungen auf Kupferelektroden bildet.
Im folgenden sind Beispiele der Anwendung der erfindungsgemäßen Elektrode zum Schneiden unter
Verwendung eines reaktionsfähigen Gases als Lichtbogengas angeführt.
Verwendung einer metallurgisch gebundenen Einsatzkathode in einer oxydierenden Atmosphäre
Es wurde eine Vorrichtung der in Fig. 2 veranschaulichten
Art benutzt. Der Brenner hatte einen wassergekühlten Elektrodenhalter aus Kupfer mit
einem Durchmesser von 19,0 mm. Ein Zirkoniumeinsatz mit einem Durchmesser von 9,6 mm wurde
mit Zink beschichtet und in einer Ausnehmung am vorderen Ende des Elektrodenhalters silberverlötet.
Die Außenfläche des Zirkoniumeinsatzes lag mit der Stirnfläche der Elektrodenspitze bündig. Die Elektrode
war innerhalb einer wassergekühlten Düse mit einem Auslaß von 4,8 mm Durchmesser angeordnet.
Der Abstand zwischen der Stirnfläche des Einsatzes und der Kühlkammer betrug 8,0 mm. Sauerstoff
wurde in einer Menge von 2,6 m3/h um die Kathode herum und aus der Düse herausgeführt, während ein
Lichtbogen von 300 A bei 90 bis 108 V zwischen der Kathode und einer wassergekühlten . Kupferanode
aufrechterhalten wurde. Der Lichtbogen war während einer Betriebsdauer von 7Va Stunden sehr stabil.
Ein unter ähnlichen Bedingungen verwendeter Einsatz mit einem Durchmesser von 6,4 mm und
einer Länge von 3,2 mm hatte eine Lebensdauer von 3Va Stunden, während mit einem Einsatz mit einem
Durchmesser von 4,2 mm und einer Länge von 3,2 mm eine Lebensdauer von 21A Stunden erzielt
wurde. Daraus folgt, daß die Lebendauer des Einsatzes bei verhältnismäßig hohen Strömen durch Vergrößerung
des Durchmessers verlängert werden kann. Ein Zirkoniumeinsatz, der bei 150 bis 500 A und
90 V unter ähnlichen Bedingungen, jedoch ohne eine metallurgische Bindung, arbeitete, war nur 17 Minuten
lang betriebsfähig, bevor eine merkliche Erosion eintrat. .
Kathode mit Zirkoniumeinsatz in einem N2-H2-Gemisch
Es wurde eine Vorrichtung der in Fig. 2 veranschaulichten Art verwendet. Der benutzte Zirkoniumeinsatz
hatte einen Durchmesser von 6,4 mm und
eine Länge von 3,2 mm. Der Elektrodenhalter bestand aus Silber. Ein Gasgemisch aus 65 Volumenprozent
N2 und 35 Volumenprozent H2 wurde in derselben
Weise wie im Beispiel 1 in einer Durchfluß-5 menge von 2,8 m3/h und die Kathode herumgeführt.
Ein Lichtbogen von 300A und 115 V wurde eine V2 Stunde lang aufrechterhalten. Es trat eine Gewichtszunahme
der Elektrode von 2,6 mg auf, was auf die Bildung von Zirkoniumnitrid zurückzu-10
führen ist.
Kathode mit Zirkoniumeinsatz in einer Kohlendioxydatmosphäre
Die verwendete Vorrichtung war die gleiche wie in Beispiel 2, mit der Ausnahme, daß der wassergekühlte
Elektrodenhalter aus Kupfer bestand. Kohlendioxyd wurde in der gleichen Weise in einer
Menge von 2,4 m3/h um die Kathode herumgeführt. Der Lichtbogen wurde bei 300 A und 90 bis HOV
25mal für jeweils 6 Minuten aufrechterhalten.
Kathode mit Zirkoniumeinsatz in einer Kohlenmonoxydatmosphäre
Es wurde eine Vorrichtung der in Fig. 1 veranschaulichten Art benutzt. Der Brenner hatte eine
wassergekühlte Kupferelektrode mit einem Durchmesser von 12 mm und einen Zirkoniumeinsatz mit
einem Durchmesser von 2,28 mm und einer Länge von 6,4 mm. Eine unbestimmte Menge Kohlen,-monoxyd
wurde durch eine Düse mit einem Durchmesser von 4,8 mm um die Kathode herumgeführt,
während ein durch die Düse hindurchlaufender Lichtbogen bei 150 A und 56 V zwischen der
Kathode und einem Werkstück 5 Minuten lang aufrechterhalten wurde. Der Einsatz erodierte nur sehr
wenig.
Kathode mit Thoriumeinsatz in einer oxydierenden Atmosphäre
Es wurde eine wassergekühlte Kupferelektrode von 12,2 mm Durchmesser mit einem Einsatz aus
Thoriumpulver mit einem Durchmesser von 2,2 mm und einer Länge von 6,4 mm benutzt. Sauerstoff
wurde in einer Menge von 2,1 m3/h in der gleichen
Weise wie in Beispiel 1 um die Kathode herumgeleitet. Die Kathode arbeitete ohne wesentliche
Erosion 1 Stunde lang bei 300 A und 1 Stunde und 10 Minuten lang bei 500A. Die Spannung lag zwischen
72 und 92 V. ·
Silbereiektrode mit Einsatz aus Zirkoniumoxyd
Die Kathode bestand aus einer Silberelektrode von 17,6 mm Durchmesser. Ein Loch von 2,2 mm Durchmesser
und 3,2 mm Tiefe wurde in die Stirnfläche der Elektrode gebohrt und mit stabilisiertem Zirkoniumoxyd
gefüllt. Mit dieser Elektrode wurde dann
ohne Düse und ohne einen um die Elektrode herumgeleiteten Gasstrom im Freien gearbeitet. Bei einer
Lichtbogenlänge von 6,2 bis 9,6 mm unter Verwendung einer wassergekühlten Kupferanode hatte der
Bogen 32 V und 115 A. Auf das Silber sprang der Lichtbogen nicht über. Die Kathode wurde 15 Minuten
lang in ruhiger Luft betrieben; der Ansatz des Lichtbogens an der Zirkoniumoxyd-Kathode schien
recht stabil zu sein.
Beispiel 7
Zirkonium-Silber-Einsatz
Zirkonium-Silber-Einsatz
Es wurde eine Vorrichtung der in Fig. 2 dargestellten Art benutzt. Eine Ausnehmung von 4,8 mm
Durchmesser und 3,2 mm Tiefe wurde in einen wassergekühlten Kupferhalter von 19,0 mm Durchmesser
gebohrt. Ein Gemisch aus 70 Gewichtsprozent Zirkoniumpulver und 30 Gewichtsprozent Silberpulver
wurde in diese Ausnehmung eingepreßt. Sauerstoff wurde in einer Menge von 2,7 m3/h durch
eine Düse von 6,4 mm Durchmesser hindurch um die Elektrode herumgeleitet, während ein die Düse
durchlaufender und auf ein als Anode dienendes Werkstück auftreffender Lichtbogen von 500 A und
88 V 35 Minuten lang aufrechterhalten wurde.
Ein Einsatz gleicher Größe aus Zirkoniumpulver arbeitet bei 300 A etwa 5 Minuten lang, bevor er
ausfällt.
Claims (3)
1. Nichtabschmelzende Elektrode zur Durchführung von Arbeitsvorgängen unter Verwendung
eines Lichtbogens in Gegenwart eines reaktionsfähigen Gases mit einem flüssigkeitsgekühlten
ίο metallischen Halter hoher Wärmeleitfähigkeit und
einem in einer Ausnehmung am vorderen Ende des Halters angeordneten Einsatz aus einem
Elektronen emittierenden Werkstoff, dad.urch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) im
wesentlichen aus metallischem Thorium, Zirkonium, Strontium oder Lanthan besteht und mit
den Wandungen der Ausnehmung des Halters (1) mittels einer Bindung aus Silber metallurgisch
verbunden ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzwerkstoff mit Silber
legiert ist.
3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) aus Teilchen
besteht, die untereinander und mit den Wandungen der Ausnehmung mittels einer Bindung
aus Silber vereinigt sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
109 686/92
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE1515230B1 (de) | Nichtabschmelzende Elektrode für Lichtbogen-Arbeitsvorgänge | |
DE69418894T2 (de) | Plasmabrenner | |
EP0912288B1 (de) | Verfahren zum beschichten oder schweissen leicht oxidierbarer werkstoffe sowie plasmabrenner dafür | |
DE60222981T2 (de) | Heissverschweissbarkeit von Elektrodenbauelemente | |
DE212014000086U1 (de) | Mit einem Kern versehenes Verbrauchsmaterial für lichtbogenfreie Prozesse zum Fügen oder Auftragsschweissen sowie dieses umfassende Systeme | |
EP0143222B1 (de) | Glühkathode mit hohem Emissionsvermögen für eine Elektronenröhre und Verfahren zu deren Herstellung | |
EP0168810B1 (de) | Schweissbrenner zum Plasma-MIG-Schweissen | |
DE3632466A1 (de) | Fuelldrahtelektrode und verfahren zum brennschneiden von metallen | |
DE2919084C2 (de) | Nicht abschmelzende Elektrode zum Plasmaschweißen und Verfahren zur Herstellung dieser Elektrode | |
DE1255834B (de) | Plasmabrenner | |
DE1255833B (de) | Verfahren und Einrichtung zum Aufheizen von Gasen in einem Plasmabrenner | |
DE60219381T2 (de) | Emittierende Einheiten aus Metallpulvern | |
DE69901731T2 (de) | Aus kupfer-legierung hergestelltes verschleissteil für lichtbogenbrenner | |
DE2421377B2 (de) | Nicht abschmelzende elektrode fuer bogenprozesse und verfahren zu deren herstellung | |
DE1515230C (de) | Nichtabschmelzende Elektrode für Lichtbogen-Arbeitsvorgänge | |
DE1764116B1 (de) | Lichtbogen plasmastrahlgenerator | |
DE1213547B (de) | Elektronenstrahlofen | |
DE69107781T2 (de) | Nichtverbrauchende Elektrode zum Schweissen von rostfreiem Stahl und Schweissverfahren. | |
EP0401598B1 (de) | Mittelelektrode für Zündkerzen von Brennkraftmaschinen | |
DE3106164A1 (de) | Nichtabschmelzende elektrode | |
DE1440628B2 (de) | Lichtbogenbrenner fuer einen lichtbogenofen | |
EP4029356A2 (de) | VERSCHLEIßTEIL FÜR EINEN LICHTBOGENBRENNER UND PLASMABRENNER SOWIE LICHTBOGENBRENNER UND PLASMABRENNER MIT DEMSELBEN UND VERFAHREN ZUM PLASMASCHNEIDEN SOWIE VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER ELEKTRODE FÜR EINEN LICHTBOGENBRENNER UND PLASMABRENNER | |
DE2426669C3 (de) | Nicht abschmelzende Elektrode zur Lichtbogenbearbeitung von Werkstoffen in Sauerstoffatmosphäre | |
AT204359B (de) | Verfahren zum Überziehen von Werkstücken | |
DE2227684A1 (de) | Lichtbogenbrenner |