DE2426669B2

DE2426669B2 - Nicht abschmelzende elektrode zur lichtbogenbearbeitung von werkstoffen in sauerstoffatmosphaere

Info

Publication number: DE2426669B2
Application number: DE19742426669
Authority: DE
Inventors: Dawid Grigoriewitsch; Medwedew Alexandr Yakowlewitsch; Rossomacho Yakow Wulfo witsch; Leningrad; Butowa Margarita Nikolaewna Moskau; Bychowsky (Sowjetunion)
Original assignee: Wsesojusny Nautschno-Issledowatelskij Projektno-Konstruktorskij I Technologitscheskij Institut Elektroswarotschnowo Oborudowanija, Leningrad (Sowjetunion)
Priority date: 1974-05-28
Filing date: 1974-06-01
Publication date: 1976-12-30
Also published as: FR2272785A1; DE2426669A1; FR2272785B1; US3930139A; GB1442075A

Description

Durchmesser des aktiven
Zirkoniumeinsatzes, mm

Höhe des aktiven

Einsatzes, mm

Durchmesser des

Kupferhalters, mm
ίο LichübogenstromstärkcA

Durchmesser der Düse, mm
Verbrauchan
plasmaerzeugendem Gas
(Sauerstoff). Nm³Zh
Einschaltdauer des
Lichtbogens beim
Slahlblechschneiden, min
Schaltpause, min

2,5

4,5

16

200 bis
300

1
0,5

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Lichtbogen- und Plasmabearbeitung von Werkstoffen, insbesondere nicht abschmelzende Elektroden zur Lichtbogenbearbeitung.

Die vorgeschlagene nicht abschmelzende Elektrode zur lichtbogenbearbeitung in Sauerstoffatmosphäre kann beim Plasmaschneiden von Metallen, Oberflächenschmelzen, z. B. Oberflächenfehlerbeseitigung von Blökken, Rohlingen, Walzgut Gußstücken mit gutem Erfolg eingesetzt werden. Außerdem kann die Erfindung zur Erwärmung von Sauerstoff bei verschiedenen hüttenmännischen und plasmachemischen Vorgängen mit ebenso gutem Erfolg Verwendung finden, in Anbetracht dessen, daß als Bearbeitungsstoff ein vorzuwärmendes Medium, d. h. Sauerstoff, dient.

Bekannt ist eine nicht abschmelzende Elektrode zur Plasmabearbeitung in wirksamen Medien, die einen Halter aus Werkstoff von hoher Wärmeleitfähigkeit sowie einen aktiven Zirkoniumeinsatz besitzt, der mit dem Halter metallurgisch verbunden ist (s. z. B. US-Patentschrift 31 98 932,)·

Bekannt ist auch eine nicht abschmelzende Elektrode zur Plasmabearbeitung in wirksamen Medien, die einen Halter aus Kupfer und dessen Legierungen, einen aktiven Zirkoniumeinsatz und eine sowohl Zirkonium als auch Kupfer gegenüber inerte Trennzwischenlage enthält, die aus Metallen besteht, die aus einer V, Nb, Ta, Cr, Mo, W aufweisenden Metallgruppe gewählt sind (s. z. B. US-Patentschrift 35 46 422).

Die genannten Elektroden fanden an Anlagen zum Plasmaschneiden in Luftatmosphäre Verwendung. Beim Plasmaschneiden in Sauerstoffatmosphäre in dem für das Schneiden meist kennzeichnenden aussetzenden Betrieb ist jedoch die Lebensdauer dieser Elektrode

für den industriellen Betrieb unannehmbar.

Unter Verwendung der Elektroden mit einem aktiven Zirkoniumeinsatz, der insbesondere mit dem Halter mit Silber verlötet oder von dem Halter durch eine inerte Tantalzwischenlage getrennt ist, beträgt die gesamte Schnittzahl von Stahlblech durchschnittlich 30 bis 60.

Es isi zugleich eine Elektrode zur Plasmabearbeitung in wirksamen Medien bekannt, die einen Halter aus Kupfer und dessen Legierungen sowie einen unmittel-

bar im Halter untergebrachten aktiven Hafniumeinsatz aufweist (s. z, B. US-Patentschrift 35 97 649).

Im Vergleich zu den Elektroden, die einen aktiven Zirkoniumeinsatz aufweisen, beträgt die Lebensdauer dieser Elektrode bei den obenangeführten Parametern des Vorganges 50 bis 100 Schnitte und ist zwar höher, doch ebenfalls unannehmbar für die weitgehende industrielle Ausnutzung wegen unzureichender Lebensdauer ut.d Leistungsfähigkeit.

Es ist zweck der vorliegenden Erfindung, die obenaufgezählten Nachteile zu beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vervollkommnete nicht abschmelzende Elektrode zur Plasmabearbeitung in Sauerstoffatmosphäre mit solchen Werkstoffen für die Zwischenlage und den aktiven Einsatz zu schaffen, die eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der nicht abschmelzenden Elektrode zu gewährleisten vermögen.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer nicht abschmelzenden Elektrode

zur Lichtbogenbearbeitung von Werkstoffen in Sauerstoffatmosphäre, die einen Halter aus Kupfer oder dessin Legierungen mit einem aktiven Einsatz aufweist, der mit dem Halter in thermischer und elektrischer Verbindung steht, die über eine zwischen dem aktiven Einsatz und dem Halter auf deren gesamten Berührungsfliiche angeordnete Metallzwischenlage erfolgt, erfinduigsgemäß als Werkstoff für die Metallzwischenlage Aluminium oder dessen Legierungen und als Werkstoff für den aktiven Einsatz Hafnium oder Hafnium mit Zusätzen von Yttriumoxid und/oder Neodyrnoxid Verwendung finden.

Es ist zweckmäßig, wenn die Dicke der aus Aluminium und dessen Legierungen bestehenden Metallzwischenlage 0,01 bis 0,2 mm beträgt.

Es iüt zweckmäßig, daß der aktive Einsatz aus Hafnium mit Zusätzen von 6 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid besteht

Es ist ferner zweckmäßig, wenn der aktive Einsatz aus

89 bis 93 Gew.-% Hafnium, 6 bis 9 Gew.-% Yttriumoxid «ad 1 bis 2 Gew.-% Neodymoxid besteht

Bei den obengenannten Parametern des Vorganges beträgt das gesamte Leistungsvermögen der vorliegen- <JeE nicht abschmelzenden Elektrode etwa 250 bis 400 «Schnitte. Dies liefert die Möglichkeit, die erfindungsgemäßen nicht abschmelzenden Elektroden in Industrieanlagen zum Plasmasciineiden in Sauerstoffatmosphäre mit großer Zuverlässigkeit einzusetzen. Besonders wichtig ist die Anwendungsmöglichkeit der erfindungs- jo gemäßen nicht abschmelzenden Elektrode an Anlagen, die unter Bedingungen kontinuierlicher Fließfertigung betrieben werden.

Nachstehend wird die Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 Schnitt durch die erfindungsgemäße nicht abschmelzende Elektrode,

Fig. 2 Plasmabrenner mit der nicht abschmelzenden Elektrode zur Lichtbogenbearbeitung in Sauerstoff- »tmosphäre.

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 erschöpft. Versuche zeigten, daß bei der Arbeit der nicht abschmelzenden Elektrode mit Zirkoniumeinsatz in Sauerstoffatmosphäre im aussetzenden Betrieb keine ausreichende Lebensdauer gewährleistet wird. Die Erosionsgeschwindigkeit einer nicht abschmelzenden Elektrode mit Hafniumeinsatz in Sauerstoffatmosphäre hat in der Anfangsetappe der Arbeit die gleiche Größenordnung wie beim Betrieb in Luftatmosphäre. Sollte jedoch die Erosionstiefe etwa 1 mm erreichen, brennt er so schnell aus, daß die ganze Lebensdauer praktisch nur auf der Einsatzhöhe von 1 mm realisiert wird. Die Ursache eines so schnellen Abbrandes der nicht abschmelzenden Elektrode mit Hafniumeinsatz steht vor allem mit einer Zerstörung des Kupferhalters in Verbindung. Beim Betrieb der nicht abschmelzenden Elektrode in Sauerstoffatmosphäre nimmt der Wärmefluß je nach Erosion des aktiven Einsatzes und Eintauchen der Bogensäule in den sich bildenden Krater zu und bei Erreichen einer bestimmten Größe wird Kupfer unweit des aktiven Einsatzes heruntergeschmolzen und schnell oxydiert. Die dabei sich tntwickelnde Wärme der chemischen Oxydationsreaktion von Kupfer erweitert diesen Vorgang für noch größere Volumina. Die entstehende flüssige oxydierte Schmelze fließt in den Krater auf den aktiven Einsatz herab, indem sie ihn verunreinigt und die Erosionsgeschwindigkeit stark erhöht. Besonders merklich tritt dies bei der Arbeit der nicht abschmelzenden Elektrode in Sauerstoffatmosphäre im Aussetzbetrieb zutage. Beim Einschalten des Lichtbogens besteht eine gi oße Wahrscheinlichkeit, daß der Elektroden fleck auf der Oberfläche des Kupferhalters in der Nähe vom aktiven Einsatz auftritt, was ein Niederschmelzen und ein stürmisches Oxydieren von Kupfer bewirkt und — wie bereits beschrieben — eine wesentliche Geschwindigkeitszunahme der Erosion herbeiführt.

Ein Versuch, eine inerte Zwischenlage aus Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram zwischen dem Hafniumeinsatz und dem Kupferhalter einzubringen, zeigte keine positiven Ergebnisse, weil sich beim Betrieb in Sauerstoffatmosphäre an diesen Metallen bildende Oxide einen hohen Dampfdruck aufweisen, schnell verdampfen und nicht imstande sind, Kupfer gegen die Einwirkung der Bogensäule zu schützen.

Im Zusammenhang damit wurde von uns eine nicht abschmelzende Elektrode zur Lichtbogenbearbeitung in Sauerstoffatmosphäre geschaffen, die einen Halter 1, der aus Kupfer oder dessen Legierungen ausgefünrt ist, und einen aktiven Einsatz 2 enthält, der mit dem Halter 1 in thermischer und elektrischer Verbindung steht, die über eine zwischen dem genannten aktiven Einsatz 2 und dem Halter 3 auf deren gesamte Berührungsfläche angeordnete Metallzwischenlage 3 erfolgt

Als Werkstoff für die Metallzwischenlage 3 finden Aluminium oder dessen Legierungen und als aktiver Einsatz 2 Hafnium oder Hafnium mit Zusätzen Verwendung, als welche einzeln bzw. kombiniert Yttriumoxid und/oder Neodyoxid dienen.

Das Anbringen der Metallzwischenlage 3 aus Aluminium oder dessen Legierungen zwischen dem aktiven Einsatz 2 aus Hafnium und dem Halter 1 aus Kupfer, beitet die Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit der nicht abschmelzenden Elektrode beim Betrieb in Sauerstoffatmosphäre auf der gesamten Höhe des aktiven Einsatzes 2 zu realisieren, weil das an der Metallzwischenlage 3 anfallende Aluminiumoxid, das eine schwerschmelzende Verbindung mit der Schmelztemperatur von 2043⁰C darstellt, die Rolle eines Wärmeschildes spielt und den Halter ί aus Kupfer gegen Überhitzen und Oxydieren schützt

Die Erhöhung der Lebensdauer der nicht abschmelzenden Elektrode durch Einfügen eines Zusatzes von Yttriumoxid in die Zusammensetzung des aktiven Einsatzes 2 aus Hafnium beruht darauf, daß das Yttriumoxid beim Betrieb der Elektrode in Sauerstoffatmosphäre an der Emissionsfläche entstehende Hafniumoxide stabilisiert und deren Temperaturwechselbeständigkeit steigert Die Rolle des Zusatzes von Neodymoxid besteht darin, daß er die elektrische Leitfähigkeit des anfallenden Hafniumoxids erhöht. Die Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit setzt die Wärmeentwicklung am aktiven Einsatz 2 herab und bewirkt ebenfalls eine Erhöhung der Lebensdauer. Das Mengenverhältnis der vorliegenden Zusätze wurde versuchsweise festgestellt

Nachstehend sind Beispiele der erfindungsgemäßen nicht abschmelzenden Elektrode angeführt.

Beispiel 1

Die Prüfung der nicht abschmelzenden Elektrode an einer Plasmaanlage unter folgenden Plasmaschneidbedingungen:

Durchmesser des aktiven	2,5
Einsatzes, mm	4,5
Höhe des aktiven Einsatzes, mm	16
Durchmesser des Kupferhalters, mm	200
Lichtbogenstromstärke, A	4
Durchmesser der Düse, mm
Verbrauch an plasmaerzeugendem Gas	4
(Sauerstoff), NmVh
Einschaltdauer des Lichtbogens	1
beim Stahlblechschneiden, min	0,5
Schaltpause, min

Der aktive Einsatz 2 in Form eines Zylinders wurde aus Hafniumdraht ausgeführt, in ein vorher gestanztes Aluminiumgehäuse mit der Wandstärke 0,1 mm eingebracht und in eine 2,7 mm im Durchmesser aufweisende Bohrung im Rohling des Kupferhalters eingesteckt. Der Rohling des Kupferhalters war ein 16 mm im Durchmesser und 14 mm hoher Zvlinder mit

einem Grundloch. Durch gemeinsames Pressen in einer Matrize wurde danach eine Fertigelektrode hergestellt. Unter Verwendung dieser Elektrode betrug die Schnittzahl vom Stahlblech 270, was einer Erosion von 3,5 mm nach der Höhe des aktiven Einsatzes entspricht S

Beispiel 2

Die Elektrode wurde wie im Beispiel 1 ausgeführt und erprobt. Die Stärke der Aluminiumzwischenlage betrug aber 0,05 mm, die einer Erosion des aktiven Einsatzes von 3,5 mm entsprechende Schnittzahl 290,

Beispiel 3

Die Elektrode wurde wie in Beispiel 1 ausgeführt und erprobt. Der aktive Einsatz wurde jedoch nach Sintermetallurgieverfahren aus Hafniumpulver hergestellt. Die einer Erosion des aktiven Einsatzes von 3,5 mm entsprechende Schnittzahl betrug 280.

Beispiel 4 _iQ

Die Elektrode wurde wie im Beispiel 1 ausgeführt und erprobt. Der aktive Einsatz wurde jedoch nach Sintermetallurgieverfahren aus einem Pulvergemisch von Hafnium und Yttriumoxid hergestellt die in folgenden Mengen (Gew.-%) genommen wurden: 92 Hafnium, 8 Yttriumoxid. Die einer Erosion des aktiven Einsatzes von 3,5 mm entsprechende Schnittzahl betrug 330.

Beispiel 5

Die Elektrode wurde wie im Beispiel 1 ausgeführt und erprobt. Der aktive Einsatz wurde jedoch nach Sintermetallurgieverfahren aus einem Pulvergemisch von Hafnium und Yttriumoxid hergestellt, die in folgenden Mengen (Gew.-%) genommen wurden: 88 Hafnium, 12 Yttriumoxid. Die einer Erosion des aktiven Einsatzes von 3,5 mm entsprechende Schnittzahl betrug 320.

Beispiel 6

40

Die Elektrode wurde wie im Beispiel 1 ausgeführt und erprobt Der aktive Einsatz wurde jedoch nach Sintermetallurgieverfahren aus einem Pulvergemisch von Hafnium, Yttriumoxid und Neodymoxid hergestellt, die in folgenden Mengen (Gew.-%) genommen wurden: 91 Hafnium, 7,3 Yttriumoxid, 1,7 Neodymoxid. Die einer Erosion des aktiven Einsatzes von 3,5 mm entsprechende Schnittzak! betrug 400.

Die vorliegende nicht abschmelzende Elektrode kann an einem Plasmabrenner zum Plasmaschneiden Ver-Wendung finden. Dieser Plasmabrenner enthält eine nicht abschmelzende Elektrode, die in Form eines Halters 1 aus Kupfer (Fig.2) aasgebildet ist, mit dem ein durch eine Metallzwischenlage 3 aus Aluminium oder dessen Legierungen von dem Halter 1 getrennter aktiver Einsatz 2 aus Hafnium mit Zusätzen von Yttriumoxid bzw. Neodymoxid bündig angeordnet ist

Koaxial mit dem aktiven Einsatz 2 liegt eine Düse 4 mit einem Zentralkanal 5, der zur Stabilisierung des zwischen dem aktiven Einsatz 2 und einem zu bearbeitenden Werstück 7 brennenden Lichtbogen 6 bestimmt ist.

Zur Verhinderung der Bildung eines Doppelbogens im Falle einer Berührung zwischen der Düse 4 und dem Werkstück 7 bzw. zur Verlängerung der gesamten Länge des Zentralkanals 5 der Düse 4 kann zumindest eine weitere (punktiert angedeutete) Düse 8 mit Zentralkanal 9 angedeutet sein.

Der Halter 1 wird hohl ausgeführt und mit einem über ein im Hohlraum 11 des Halters 1 befindliches Rohr 10 zugeführten Kühlmittel abgekühlt Die Düsen 4 und 8 werden dagegen durch die Kühlmittelzufuhr zu den in diesen Düsen 4 und 8 angeordneten Kanälen 12 bzw. 13 abgekühlt

Unter Verwendung mehrerer Düsen wird zwischen ihnen eine Isolierzwischenlage 14 plaziert.

Dem Hohlraum, den die nicht abschmelzende Elektrode und die Düse 4 bilden, wird durch eine öffnung 15 ein plasmaerzeugendes Gas z. B. Sauerstoff zugeführt

Der Plasmabrenner arbeitet wie folgt

Die nicht abschmelzende Elektrode wird an den Minuspol einer (nicht dargestellten) Speisequelle angeschlossen, deren Pluspol an das zu bearbeitende Werkstück 7 angeschlossen ist. Das Kühlmittel wird dem Hohlraum 11 des Halters 1 über das Rohr 10 und den Düsen 4 und 8 über die Kanäle 12 und 13 zugeführt. Zur Bildung des Lichtbogens, der zwischen dem aktiven Einsatz 2 der nicht abschmelzenden Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück 7 brennt, wird gleichzeitig ein plasmaerzeugendes Gas z. B. Sauerstoff über die öffnung 15 den Zentralkanälen 5 und 9 zugeführt. Beim Betrieb in Sauerstoff atmosphäre wird die Leistungsfähigkeit der nicht abschmelzenden Elektrode auf der gesamten Höhe des aktiven Einsatzes 2 realisiert, weil das an der Metallzwischenlage 3 anfallende Aluminiumoxid, das eine schwerschmelzende Verbindung darstellt, die Rolle eines Wärmeschildes spielt und den Halter 1 gegen Überhitzen und Oxydieren schützt, während der aktive Einsatz 2 aus Hafnium mit Zusätzen von Yttriumoxid die Arbeit der nicht abschmelzenden Elektrode dadurch verbessert, daß das Yttriumoxid beim Brennen des Lichtbogens in Sauerstoff atmosphäre die an der Emissionsfläche entstehenden Hafniumoxide stabilisiert und deren Tamperaturwechselbeständigkeii steigert

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

!4 26 669 Patentansprüche:

1. Nicht abschmelzende Elektrode zur Lichtbogeflbearbeitung von Werkstoffen in Sauerstoffatmosphäre, die einen Halter aus Kupfer oder dessen Legierungen mit einem aktiven Einsatz aufweist, der mit dem Halter in thermischer und elektrischer Verbindung steht, die über eine zwischen dem aktiven Einsatz und dem Halter auf deren gesamten Berührungsfläche angeordneten Metallzwischenlage erfolgt,dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für die Metallzwischenlage (3) Aluminium oder dessen Legierungen und als Werkstoff für den aktiven Einsatz (2) Hafnium oder Hafnium mit Zusätzen von Yttriumoxid und/oder Neodymoxid Verwendung finden.

2. Nicht abschmelzende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der aus Aluminium und dessen Legierungen bestehenden Metallzwischenlage (3) 0,01 bis 0,2 mm beträgt

3. Nicht abschmelzende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der aktive Einsatz (2) aus Hafnium mit Zusätzen von 6—14 Gew.-°/o Yttriumoxid besteht

4. Nicht abschmelzende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der aktive Einsatz (2) aus 89 bis 93 Gew.-% Hafnium, 6 bis 9 Gew.-% Yttriumoxid und 1 bis 2 Gew.-% Neodymoxid besteht.

— von wirtschaftlichem Standpunkt aus — z.B. bei folgenden Parametern des Vorganges: