Способ термохимической зачистки поверхности металлических изделий

 

1. СПОСОБ TEPMOXИ MЧECKOЙ ЗАЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, по которому на поверхность изделия подают струю кислорода высокой интенсивности, осуществляют относительное перемещение обрабатываемого изделия и зачищающей головки и направляют на поверхность струю режущего кислорода, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости начала зачистки без снижения рабочей скорости относительного перемещения изделия и головки, в место подачи высокоинтенсивной струи кислорода направляют луч лазера и образуют на зачищаемом изделии ванну расплавленного металла заданного размера. 2. Способ по п. 1,отличающ и и с я тем, что луч лазера подают на поверхность изделия в точку, размещенную впереди по ходу обработки на расстоянии 10 см от точки, в которую направляют высокоинтенсивную струю кислорода. 00 1C 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„,SU„„1118281

srSg. В 23 К 7/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2490502/25-27 (22) 07.06.77 (31) 789720 (32) 25.04,77 (33) США (46) 07. l0.84. Бюп. Р 37 (72) Стефен Огаст Эйнджел и Рональд Элмер Фурхон (США) (71) 10нион Карбид Корпорейшн (США) (53) 621.79 1.945(088.8) (56) 1. Патент США Ф 2205890, кл. 148-9, 25.06.40.

2. Патент США к- 2309096, кл. 148-9, 26.01.43.

3. Патент США К - 3216867, кл. 148-9.5, 21.11.65.

4. Патент США У 2513425, кл. 219-69, 23.05.50.

5. Патент США - 3966503 кл. В 23 К 7/08, 29.06.76.

6. Патент США В 3991985, кл. В 23 К 7/06, 01. l0.76. (54)(57) 1. CHOCOB ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ

ЗАЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

ИЗДЕЛИЙ, по которому на поверхность иэделия подают струю кислорода выськой интенсивности, осуществляют относительное перемещение обрабатываемого изделия и зачищающей головки и направляют на поверхность струю режущего кислорода, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения скорости начала зачистки без снижения рабочей скорости относительного перемещения изделия и головки, в место подачи высокоинтенсивной струи кислорода направляют луч лазера и образуют на зачищаемом изделии ван- g ну расплавленного металла заданного размера.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что луч лазера подают на поверхность изделия в точку, разме- Я щенную впереди по ходу обработки на расстоянии 10 см от точки, в которую направляют высокоинтенсивную струю кислорода.

1 ее

1 11182

Изобретение относится к газопламенной обработке металлов и может быть использовано при огневой зачистке слитков в металлургической промышленности.

Известно использование .металлических стержней при ручной зачистке для более быстрого начала реакции.

В этом случае работа производится в статическом положении и оператор 10 эа счет индивидуального мастерства должен уметь одновременно регулировать струю кислорода для зачистки, а также угол подачи горелки и стержня (11 .

Известно также проведение механизированных реакций зачистки с использованием стержней (2) .

Однако проведение таких реакций зачистки возможно ToJ1bKo на неподвиж- 20 ных обрабатываемых изделиях .

Известны мгновенно инициированные реакции, осуществляемые с помощью металлического порошка (3) и реакции, проводимые с помощью электрода под током (4) .

Однако быстрый износ оборудования для подачи порошка делает проведение таких реакций ненадежным, что наряду со стоимостью металлического порошка

30 делает осуществление реакции с помощью порошка неудовлетворительным.

Возникают также довольно сложные проблемы, связанные с мгновенным инициированием реакции с помощью элект35 рической дуги.

Электрические дуги, в которых деталь является частью электрической цепи, требуют электрического контакта с движущейся деталью. Косвенные

40 электрические дуги, в которых деталь не включена в электрическую цепь, требуют, чтобы электрод бып очень близко расположен к рабочей поверхности с целью передачи достаточного количества тепла и нагрева обрабаты45 ваемого иэделия до температуры воспламенения ° Это нерационально из-за пространственных ограничений и вследствие того, что сильное разбрызгивание при реакции зачистки может разру- 50 шить дуговую горелку.

Известно также, что мгновенно инициированные реакции могут осуществляться путем контакта с зачищаемой металлической поверхностью горячей

55 проволоки. Горячая проволока доводится до температуры воспламенения за счет нагрева подогревающим пламенем

81 эачистного узла или с помощью другого наружного источника тепла (5) .

Однако несмотря на то, что этот процесс успешно применяется там, где необходимо выполнение нескольких точечных зачистных операций, он требует наличия множества узлов подачи проволоки, соответствующих числу используемых зачистных узлов.

Известен также способ осуществления мгновенного начала термохимической реакции, при котором поверхность изделия подогревают, подают на поверхность струю кислорода высокой интенсивности, осуществляют относительное перемещение обрабатываемого изделия и зачищающей головки и направляют на поверхность струю режущего кислорода (6) .

Однако указанный способ требует снижения рабочей скорости относительного перемещения изделия и- головки .

Цель изобретения — повышение скорости начала зачистки без снижения рабочей скорости относительного пере. мещения изделия и головки.

Эта цель достигается тем, что согласно способу, при котором на поверхность изделия подают струю кислорода высокой интенсивности, осуществляют относительное перемещение обрабатываемого изделия и зачищающей головки и направляют на поверхность струю режущего кислорода, в место подачи высокинтенсивной струи кислорода направляют луч лазера и образуют на зачищаемом изделии ванну расплавленного металла заданного размера.

Кроме того, луч лазера подают на поверхность изделия в точку, размещенную впереди по ходу обработки на расстоянии 10 см от точки, в. которую.направляют высокоинтенсивную струю кислорода.

На фиг. 1 показана схема осуществ. ления способа и устройство для получения отдельной точечной зачистки без заусенцев с помощью мгновенно инициированной реакции; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — 6 разоез Б-Б на фиг. 1 на разных стадиях процесса.

Узел 1 лазера, включающий фокуси рующие линзы 2, смонтирован либо на машине для огневой зачистки, либо на удалении от нее и выполнен таким образом, что лазерное пятно контактирует с поверхностью обрабатываемой детали и в точке ф, т.е. в точке, где должна начаться точечная зачистная реакция, непосредственно перед дефектным пятном. Кислородное распределительное сопло 3 может быть соп5 лом с гладким отверстием размером

1-5 см. Сопло 3 .направлено выпускным концом под углом к поверхности обрабатываемого изделия таким образом

1О что кислородная струя 4 встречается е поверхностью обрабатываемого изделия в точке 5 ..

Зачищающий узел 5 состоит из верхнего 6 и нижнего 7 подогревающих

15 блоков, которые могут быть оснащены рядами отверстий 8 и 9 для подогревающего газа с предварительным или последующим перемешиванием газа.

Подогревающий газ загорается при воспламенении потоком кислорода, по20 ступающего с низкой скоростью из паза 10 зачищающего кислородного сопла, который образован нижней поверхностью 11 верхнего подогревающего блока 6 и поверхностью нижнего подо25 гревающего блока 7. Паз 10 кислородного сопла заканчивается выпускным отверстием 12. Для получения отдельного точечного зачищенного разреза без заусенцев отверстие 12 имеет форму, показанную на фиг. 2. Кислород и газообразное топливо подаются в зачищающий узел 5 rro трубопроводам 13 и 14 соответственно с помощью известных средств. 35

Способ осуществляется следующим образом.

Подогревающее пламя, поступающее иэ эачищающего узла 5, воспламеняется потоком кислорода, поступающего с 4О низкой скоростью из отверстия 12.

Это подогревающее пламя, обозначенное линиями 15, ударяется о поверхность обрабатываемого изделия и отклоняется вверх и назад. Когда дефектная зона обрабатываемого иэделия, предназначенная для зачистки, перемещается в точку Р, кислородная струя высокой интенсивности подается из сопла 3 и падает на точку & на поверхности обрабатываемого изделия V.

Когда дефектная зона достигает точки Д, подается импульс лазерного луча, в силу чего пятно сразу достигает температуры воспламенения, и качи- Я нается мгновенная зачищающая реакция.

Кислородная струя из сопла 3 обусловливает очень быстрое распространение

3 1118281 маленькой ванны расплавленного металла, образованной лазерным импульсом, по всей ширине. Струя режущего кислорода из отверстия 12, направленная на точку С на поверхности обрабатываемой детали, увеличивается до скорости зачистки с целью продолжения реакции. Струю режущего кисло" рода подают столько времени, сколько требуется для осуществления зачистки.

Стадии, следующие за воспламенением подогревающего пламени, поступающего из зачищающего узла 5, могут быть автоматизированы, например, путем использования ряда последовательных таймеров, реле и соленоидных клапанов, Отверстие 12 кислородного сопла содержит треугольные вставки 16 на каждом конце отверстия 12 (фиг.2), в силу чего интенсивность кислородного потока, поступающего из отверстия 12, постепенно уменьшается в направлении его краев, т.е. слабее ударяет по поверхности обрабатываемого изделия.

На фиг. 1 точка Д расположена позади точки 15, однако это расстояние может изменяться. Предпочтительным является расположение точки A примерно на 1 см впереди точки 8 .

Оптимальный диапазон расстояния между точками и 5 зависит от угла, под которым кислородная струя направ лена на поверхность обрабатываемого изделия, и от размера сопла. Угол может изменяться в диапазоне 30-80 о (предпочительно, 50-60 ) . Если угол сопла 30 и используется круглое соало с внутренним диаметрам 2 см, диапазон расстояния между точками 4 и 5 0-8 см. Если используется сопло о того же размера и угол составляет 80 диапазон расстояния 0-3 см.

Последовательность стадий предлагаемого способа (фиг. 3-6) представляет собой реакции, которые происходят в течение примерно 1 с.

На фиг. 3 показан момент, когда лазерный луч входит в контакт с точкой А, с которой начинается зачистный проход. Стрелка показывает на- правление перемещения обрабатываемого изделия со скоростью примерно 15 м/

/мин. Одновременно кислород, поступающий из кислородного распределительного сопла 3, вызывает воспламенение поверхности обрабатываемого иэделия, вследствие чего расплавляет5 111828 ся эона 17, окружающая точку 1, и на. чинается мгновенно инициированная р еа r;-- ня .

Через примерно 1/4 с (фиг. 4) по мере перемещения стального обрабатываемого изделия в направлении стрелки ванна расплавленного металла 18 начинает распространяться под действием кислородной струи распределительного сопла в форме лопасти. 10

Примерно через 1/2 с после первой стадии ванна расплавленного металла (зона 19) расширяется на движущемся обрабатываемом изделии (фиг. 5) пу.тем непрерывной подачи кислорода из 15 распределительного сопла 3, когда она достигает максимальной ширины (примерно 25 см}, подача кислорода из сопла 3 прекращается и для продолжения зачищающей реакции увеличивает- 20 ся скорость зачищающего кислородного потока из зачищающего узла 5. Режущая кислородная струя после сдувания ванны расплавленного металла продолжает образование зачищенного разреза 25 в зоне 20. Последняя содержит расплавленный металл и шлак на поверхности незачищенной стали и полностью отличается от зоны 19 (от ванны полностью расплавленного металла) .

Примерно через 1 с после начала первой стадии зона 21 (фиг. 6) зачищена, зона 22 расплавлена, но металл еще не удален, а зона 23 содержит смесь шлака и расплавленного

35 металла на поверхности незачищенной стали. По мере перемещения поверхности металла она.проходит три стадии: зона расплавленного металла и шлака на поверхности незачищенной стали, зона расплавленного металла и зачищенная зона. В момент, показанный на фиг. 6, высокоинтенсивная струя уже перекрыта.и зачищенный раз; рез выполняется с -помощью зачищающего узла 5 ° Ширина разреза„ образованного зачищающим соплом, соответствует ширине распространения ванны расплавленного металла с помощью высокоинтенсивной струи кислорода. Это

50 имеет существенное значение для предотвращения образования заусенцев.

Пример. Ширина зачищающего узла 15 см, интенсивность кислороднбго потока, поступающего из отверстия 12, 570 м /ч, интенсивность пото5S ка подогревающего газа 40 м /ч, скорость перемещения обрабатываемого изделия относительно зачищающего уз1 Ь ла 14 м/мин. Кислородное сопло 3 имеет кольцевое поперечное сечение и внутренний диаметр 2 см. Угол наклона сопла относительно обрабатываемого изделия 50 . Интенсивность кислородО ного потока из сопла 850 м /мин. Используют. импульсный лазер на твердом теле типа о-УАС. Диаметр луча на выходе лазера 1 см, расходимость луча 5 мрад. ширина лазерного импульса 11,0 мкс, лазерная энергия 50 Дж, размер лазерного пятна 2,0 мм по диа. метру, размер лазерного пятна я

1 см. Используют линзы с фокусным расстоянием 50 см для фокусировки луча на пятно.При работе пламя зачищающего узла воспламеняется и начинается относительное перемещение зачищающего узла и обрабатываемого изделия. По сигналу начала точечной зачистки подается поток из кислородного сопла и йо достижении полной интенсивности потока дается импульс. лазера, который образует расплавленное пятно в стали и мгновенно начинает термохимическую реакцию. Примерно через 1/2 с после подачи лазерного импульса кислородный поток постепенно уменьшается таким образом, что через 3/4 с после подачи импульса интенсивность потока равна нулю. Струя режущего кислорода включается таким образом, что

его интенсивность составляет но меньшей мере 507. в момент подачи лазерного импульса. Затем режущий кислородный поток поддерживает зону зачистки до тех пор, пока зачистка не завершается по заданному сигналу.

Ширина зачистки 15 см, глубина 3 мм, температура стали 20 С. Используется о малоуглеродистая сталь, в качестве газообразного топлива — природный газ.

Процесс может осуществляеться путем воспламенения пламени зачищающего узла от ванны расплавленного металла, образованной лазером и кислородным соплом, при необходимости.

Возможны варианты осуществления способа. Например, можно использовать непрерывный лазерный луч, поскольку образованная таким лучом линия эачищается по мере продолжения зачищающей реакции. Кроме этого, для расширения расплавленного пятна, образованного лазером, до любой заданной ширины точечной зачистки можно использовать две или несколько струй

7 11 кислорода, поступающих из двух или нескольких сопл различной формы и размера ° При необходимости могут быть использованы две или несколько .лазерных головок. При этом возможна зачистка тел не только из черного ме талла, но и любого металлического тела.

18281 8

Предложенный способ обеспечивает простое и надежное мгновенное инициирование термохимической реакции без использования присадочного материала, порошка или электрической дуги. При этом зачистка осуществляется без за-., усенцев и без снижения скорости относительного перемещения изделия и головки.

1118281

К-Б

Составитель М.Новик

Редактор И.Николайчук Техред Т.Фанта Корректор А.Ильин .Заказ 7285/45 Тираж 1036 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !

13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óærîðîä, ул.Проектная, 4