CS207683B2 - Přístroj pro zahájení mžikové termochemické reakce na povrchu odokujňovaného kovového obrobku - Google Patents

Description

Vynález se týká obecně přístroje pro zahájení mžikové termochemické reakce na povrchu odokujňovaného kovového obrobku s loupacím strojem obsahujícím loupači jednotku s alespoň jedním otvorem pro vypouštění předehřívacího plamene a nejméně jednou tryskou pro odokujňo vací kyslík, jejíž střední osa je namířena směrem k povrchu loupaného kovového obrobku.

Zejména vynález týká se vyvolávání mžikových zahájení nebo letmých startů pro loupači děje. Takový start je skutečně mžikové zahájení termochemické reakce na obrobku, který se pohybuje vůči loupacímu stroji normální loupači rychlostí, tj. obvykle rychlostí od asi 6 až 45 m/min.

Dlouho bylo používáno kovových tyčí pro dosažení rychlejších startů při ručních loupačích operacích. Zde musí být obrobek nepohyblivý a manipuluje se jak s proudem odokujňovacího kyslíku, tak i s úhlem hořáku a tyče.

Jsou také známy letmé starty prováděné za pomoci kovového prášku a elektrodou připojenou na proud. Rychlé opotřebení zařízení dopravujícího prášek způsobuje, že starty pod práškem jsou nespolehlivé. Problémy spojené se starty ovládané elektrickou energií jsou poměrně složité.

I

Jsou také známa zařízení s přenesenými nebo i nepřenesenými elektrickými oblouky, avšak ta se ukázala jako nepraktické. V každém případě bylo dosud stále nutné použít pomoc· ného materiálu, jako kovového prášku nebo drátů pro uvedení obrobku na zápalnou teplotu.

Vynález je založen na zjištění, že laserový paprsek s vysokou intenzitou může být zaostřen na velmi malé místo na kovovém povrchu, popřípadě obrobku určeném k čištění,

207663 přičemž na toto místo již naráží intenzivní paprsek kyslíku nebo vchází současně do styku s takovou tryskou a mžikově způsobí, že se zahájí termoohemická reakce na takovém velmi malém místě a potom se rozěírí až na úplný místní loupači zářez, který je obvykle široký 6 až 25 mm. Bylo známo, že laserový paprsek může uvést malou plochu mžikově na teplotu tavení. Avšak bylo neočekávaně zjištěno, že takové malé mělké místo roztaveného kovu může být rozšířeno kyslíkovým paprskem o vysoké intenzitě na plnou šířku místního loupacího průpichu. Bylo přepokládáno, že kyslíkový paprsek o vysoké intenzitě odfoukne takové malé množství roztaveného kovu dříve než se zahájí termoohemická reakce, nebo že ochladí příslušné místo dostatečně, takže se reakce nezahájí.

Účelem vynálezu proto je vytvořit jednoduchý a spolehlivý přístroj, který by byl schopen vyvolat mžikové čili letmé starty na odokujňovaném obrobku, bez použití pomocného materiálu nebo elektrického oblouku.

Podstata vynálezu záleží v tom, že na loupacím stroji je uložena rozšiřovací tryska pro kyslík o vysoké intenzitě, umístěná před loupači jednotkou se střední osou namířenou v úhlu k povrchu obrobku v předem určené vzdálenosti před střední osou trysky pro odokuj- * ňovací kyslík, a kromě toho je tam umístěna laserová jednotka, se kterou je sdružena optické soustava pro zaostření laserového svazku generovaného laserovou jednotkou na povrchu obrobku v blízkosti průsečíku průmětu střední osy rozšiřovací trysky s povrchem obrobku.

a

Podle dalšího provedení vynálezu je laserová jednotka impulsový laser.

Podle výhodného provedení vynálezu je laserová jednotka polovodičový laser.

Podle účelného provedení vynálezu je laserové jednotka krystal Nd-YAG.

V zásadě jsou dva různé typy laseru, tj. lasery s kontinuální vlnou a impulsové lasery. Impulsové lasery, jak jejich název naznačuje, uvolňují svou energii ve velmi krátkých nárazech o vysoké intenzitě. Mžikové starty podle vynálezu jsou přerušované stejně jako impulsový laser. Z toho důvodu jsou impulsové lasery pro vynález výhodnější.

Je však zřejmé, že pro vynález lze užít i laserů s kontinuální vlnou tím, že se takový laser promění na impulsový, pomocí nějakého jiného ekvivalentního zařízeni.

Vynález tím vytváří jednoduchý ,a spolehlivý přístroj, který je schopen vyvolat mžikové čili letmé starty na odokujňovaném obrobku, bez použití pomocného materiálu (například prášku nebo drátu) nebo elektrického oblouku, jako tomu je u dosavadních zařízení. Provedený místní loupači zářez je mžikový, individuální a bezotřepový.

Vynález bude blíže vysvětlen na příkladu provedení znázorněném na výkresech, kde na obr. 1 je nárys znázorňující přístroj pro vytváření jednotlivého bezotřepového místního loupacího zářezu se mžikovým startem podle vynálezu, na obr. 2 je pohled zpředu na otvor trysky odokujňovacího kyslíku podle čáry 2-3 z obr. 1 , obr. 3, 4, 5 a 6 znázorňují schematicky sled reakcí, pozorováno shora podél čar 3-3 z obr. 1, přičemž tento sled nastane na obrobku, když se provede mžikový start přístrojem podle vynálezu, obr. 7 znázorňuje v šikmém průmětu přístroj k provádění vynálezu uložený vetknutým způsobem * za účelem délkového řízení, obr. 8 a 9 znázorňují pozměněné provedení přístroje podle obr. 7, obr. 10 znázorňuje v šikmém průmětu další výhodné provedení přístroje podle vynálezu, totiž větší množství navzájem sousedících loupačích jednotek k provádění mžikově zahájeného selektivního mnohazářezového místního loupání celé šířky obrobku v jediném * průpichu, obr. 11 je pozměněný tvar laserového uspořádání znázorněného na obr. 10, na obr. 12 je pohled na přední stranu otvorů trysky odokujňovacího kyslíku použité v loupačích jednotkách znázorněných v obr. 10, a na obr. 13 je pohled shora na obr. 10 a znázorňuje způsob, jakým přístroj funguje, aby se vytvořil větší počet mžikově zahájených místních loupačích zářezů v jediném průchodu na celé šířce obrobku.

Podle obr. 1 je laserové jednotka J_, obsahující zaostřující čočku £, uložena buá na loupacím stroji, nebo od něho odděleně a uspořádána tak, že laserová skvrna přichází do styku s povrchem obrobku W v bodě A, což je bod, kde mé začít místní odokujňovací reakce, právě před vadným místem. Kyslíkové rozšiřovací tryska 2 může být obyčejná tryska s kulatým otvorem 1 až 5 cm. Bude vytvářet kaluže o šířce asi 5 až 25 cm. Tryska 2 je na výstupním konci nakloněna v úhlu k povrchu obrobku, takže průmět přední čáry kyslíkového paprsku (nadále označovaný jako bod dopadu kyslíku) 22, vystupujícího z rozšiřovací trysky, narazí na povrch obrobku v bodě B.

Bod A může být před bodem B a může být také za bodem B jako bod C. Bod C je průmět vnitřního průměru rozšiřovací trysky 2,. Loupači jednotka 2 sestává z obvyklého horního a dolního předehřívacího bloku 12. popřípadě JJ, které mohou být opatřeny řadou otvorů JJ a JJ pro předehřivací plameny, míšené předem nebo dodatečně, s vhodnými průchody pro plyn. Štěrbina trysky 16 odókujňovaciho kyslíku je tvořena dolním povrchem 17 horního předehřívacího bloku 12 a horním povrchem 16 dolního předehřívacího bloku JJ.

i štěrbinová kyslíková tryska 16 končí ve výstupním otvoru JJ. Za účelem vytvoření jednotlivého bezotřepového místního loupacího zářezu má otvor 19 tvar znázorněný v obr. 2. Kyslík a topný plyn se dodávají do loupači jednotky 2 přívodními vedeními 20 a 21 . popřípa* dě známými pomůckami. y

Přistroj znázorněný na obr. 1 působí takto: nejdříve se předehřivací plameny vycházející z loupači jednotky 2 zapálí tím, že se vypustí proud topného plynu z řady předehřívacích otvorů 14 a 15 a slabý tok plynného kyslíku otvorem JJ. Tyto předehřivací plameny, naznačené čarami 22, narazí na povrch obrobku a jsou odchylovány vzhůru a nazpět. Když se vadná oblast, která mé být odstraněné nebo odloupnuta z pohybujícího se obrobku W, dostane na malou vzdálenost před bod B, vypustí se z trysky 2 paprsek kyslíku o vysoké intenzitě a narazí na bod B na povrchu obrobku.

Když vadné oblast dojde do bodu A, uvede se laserový svazek do impulsů a způsobí, že uvedené místo okamžitě dosáhne zápalné teploty, čímž se zahájí mžiková čisticí reakce. Kyslíkový paprsek z trysky 2 způsobí, že malé kaluž vytvořená laserovým impulsem se velmi rychle rozšíří na svou plnou šířku, přičemž v této době se tryska zastaví a proud čisticího kyslíku z otvoru JJ, namířený na bod B na povrchu obrobku, se zvýší na jeho loupači rychlost, aby převzal reakci od rozšiřovací trysky. Proud očokujňovacího kyslíku se udržuje tak dlouho, pokud je zapotřebí provádět loupači zářez.

Je třeba poznamenat, že i když na obrázku je bod A za bodem B, může se tato vzdálenost měnit, takže bod A může být za bodem B ve vzdálenosti od asi 10 cm až na vzdálenost, která je určena průmětem vnitřního průměru trysky 2, viz bod C. Vzdálenost mezi body A a B je s výhodou takové, že bod A je přibližně 1 cm před bodem 3. Optimální rozsah vzdálenosti mezi body A a B závisí na úhlu alfa, ve kterém je kyslíkový paprsek směrován na povrch obrobku, a na velikosti trysky paprsku.

* Obr. 3 až 6 znázorňuji jak se provádějí mžikové nebo letmé starty podle vynálezu.

Obr. 3 představuje okamžik, kdy se laserový svazek uvede do styku s bodem A, což je bod, kde má začít místní loupači průpich. Šipka znázorňuje směr, ve kterém postupuje * obrobek W rychlostí přibližně 15 cm/min. Současně vyvolá kyslík z rozšiřovací trysky 2 zapálení povrchu obrobku. To zase roztaví oblast 23. obklopující boč A. Mžikový start je zahájen.

Obr. 4 znázorňuje stejnou oblast přibližně o jednu čtvrtinu sekundy později a znázorňuje, jak se roztavené kaluž 24 začne rozšiřovat působením kyslíkového paprsku z rozšiřovací trysky vějířovitým tvarem.

Obr. 5 znázorňuje vadnou oblast přibližně o polovinu sekundy později než obr. 3.

Oblast 25 znázorňuje roztavenou kaluž, která je rozprostřena na pohybujícím se obrobku W trvalým vypouštěním kyslíku z rozšiřovací trysky 2. Když byla kaluž rozšířena na její maximální šířku přibližně 25 cm, zastaví se kyslík z rozšiřovací trysky 2 a zvětši se přítoková rychlost odokujňovacího kyslíku z loupači jednotky j. Tento proud pokračuje v loupání v oblasti 26.

Způsob jakým reakce postupuje, je patrný na obr. 6, který představuje reakci přibližně o jednu sekundu později než obr. 3. Oblast 27 byla oloupnuta, oblast 26 je roztavena, avšak kov ještě nebyl odstraněn a oblast 39 obsahuje směs strusky a roztaveného kovu. V době znázorněné na obr. 6 byl proud rozšiřovacího kyslíku zastaven a provádí se loupači řez v plné šířce loupači jednotkou Je důležité upozornit, že šířka zářezu z loupači trysky je stejná jako šířka, na kterou rozšiřovací tryska 2 rozšiřuje kaluž.

Obr. 7 znázorňuje šikmý průmět přístroje podle obr. 1, který je uložen konzoloví tě, aby loupači přístroj byl pohyblivý jak v bočním směru napříč šířky obrobku tak i podélně po jeho délce. Vodorovný formový člen 31 je pevně připevněn k pultu 32 uloženému na kolejnici. Pult 32 pracovníka obsahuje řídicí ústrojí pro činnost přístroje, včetně řízení laseru, kyslíku vypouštěného z rozšiřovací trysky 2, jakož i kyslíku a topných plynů, které jsou dodávány do loupači jednotky j přívodními vedeními 20, popřípadě 21 . «

Pult 32 je bočně pohyblivý podél obrobku W na kolejnicích 33. Ozubnice 34 je pevně připojena k jedné z kolejnic, je v záběru s motorem poháněným neznázorněným pastorkem uloženým pod pultem 32 a umožňující, aby celé konzolovítě uložené loupači soustava a pult 32 byly řízené pohyblivě podél kolejnic 33. Loupači soustava, sestávající z loupači jednotky ,2, trysky 2 a laserové soustavy je pevně připojena k vozíku 37. který se posouvá nahoru a dolů na desce 38. která zase je pevně připojena ke skříni 40. Motor 39 slouží k řízenému zvedání a spouštění loupači soustavy neznázorněným uspořádáním ozubnice a pastorku, přičemž ozubnice je pevně připojena k desce 38.

Loupači soustava a skříň 40 mohou být také mechanicky pohybovány napříč šířky obrobku Λ motoricky poháněným pastorkem 35 Který zabírá s ozubnioí 36. pevně připojenou k rámu 31.

Přístroj znázorněný v obr. 7 může být použit k selektivnímu místnímu odstraňování nahodile umístěných vad na povrchu obrobku tím, že se pohybuje ve stejné čáře s vadou a potom postupuje podélně přes vadnou oblast. Oblast 41 znázorňuje typický místní loupači zářez provedený znázorněným přístrojem.

Obr. 8 znázorňuje další možnost umístění laserové hlavy Jj. V tomto vyobrazení jsou součástky obdobné součástkám na obr. 7 označeny stejnými vztahovými značkami. Laser sám je umístěn zvlášt. Použitím optického uspořádání, v tomto případě hranolu s úhlem 90°, směruje se laserový svazek na bod B od pravé strany obrobku. V uspořádání znázorněném na obr. 9 je tryska 2 namířena na bod B z pravé strany obrobku g a způsobuje , že kaluž se posouvá směrem k levé straně obrobku před loupači jednotku Ji. Toto uspořádání umožňuje rozšířit výchozí kaluž rychleji na širší oblast a umožnit provedení širšího loupacího * zářezu než s uspořádáním trysky o stejných rozměrech, jak je znázorněno v obr. 7 a 8.

Obr. 10 znázorňuje v šikmém průmětu větší počet loupačích jednotek opatřených tryskami pro provádění selektivního mnohazářezového místního loupání s mžikovými nebo letmými starty na celé šířce obrobku W v jediném průpichu. Soustava loupačích jednotek 51. laserová hlava 52 s četnými optickými ústrojími a rozšiřovací tryska 53 jsou všechny pevně uloženy na pohyblivém vozíku 54. který pojíždí po kolejnicích 55 a 56 prostřednictvím pohybového ústrojí, například ozubnice a pastorku. Kolejnice 55 a 56 jsou pevně uloženy na nosných členech 54. Laserová soustava 52 může obsahovat skříň H proplachovanou dusíkem nebo jiným plynem. Ve skříni H jsou v předem určených intervalech umístěny hranoly P s úhlem 90°, částečně propouštějící a částečně odrážející. Hranoly umožňují štěpení energie laserového svazku a její rozdělení na větší počet míst na povrchu obrobku. Jiné možnost je použít zrcadel s úhlem 90°, která jsou zařazena do dráhy svazku nebo mimo dráhu svazku za účelem směrování svazku k žádanému místu. Lze ovšem užít jakékoliv optické soustavy na zásadě bu3 štěpení nebo výběru svazku.

Obr. 11 znázorňuje další provedení přístroje podle obr. 10. U tohoto provedení směruje jedno zrcadlo M jLaserový svazek od laserové hlavy L na větší počet pevných zrcadel F uložených tak, že směrují svazek dopadající na tato zrcadla na povrch obrobku W zaostřující čočkou G.

Obr. 12 znázorňuje přední stranu loupačích jednotek užitých pro skupinové loupači trysky podle vbr. 10. Tyto trysky obsahují každá řadu horních a dolních otvorů 61 pro palivový plyn nad nebo pod výstupním otvorem 63 pro odokujňovací trysku. Okraje otvoru 63 jsou částečně uzavřeny koncovými stěnovými členy 64.

Obr. 13 je pohled znázorňující způsob jakým přístroj podle obr. 10 a 11 působí za účelem vytvoření selektivních mnohazářezových místních loupačích zářezů s letmými starty na obrobku W. Každá z loupačích jednotek obsahuje kyslíkovou rozšiřovací trysku 53 a optickou soustavu s hranoly P a zaostřovacími čočkami v trubici T a ke každé loupači jednotce je upraveno ústrojí pro přívod kyslíku a topného plynu.

Oblasti obsahující vady na povrchu obrobku W, které mají být místně odstraněny, jsou označeny 81. 82, 83 a 84 a 85. Přilehlé loupači jednotky nyní označené značkami 71 . 72.

a 25, jsou uváděny do styku s obrobkem v loupačích oblastech 81. 82, 83. 84 a 85 podle potřeby. Například když jednotka 74 dojde k přednímu konci 76 v oblasti 84, musí zůstat v činnosti, až dosáhne zadního konce 87 oblasti §4, přičemž v tomto okamžiku se jednotka 84 odpojí.

Příklad

Množství laserové energie potřebné k provádění tohoto vynálezu bude kolísat v závislosti na takových proměnných, jako je loupači rychlost, složení a teplota obrobku, proudění a Čistota kyslíku, atd. Avšak za účelem ilustrace zásad vynálezu pro použití odborníky bude nyní podán příklad jedné možnosti provádění vynálezu.

Bylo použito zařízení znázorněného v obr. 1. Šířka loupači jednotky byla 15 cm. Proud kyslíku otvorem 19 byl 570 m³/hod. Proud topného plynu byl 40 m³/hod. Rychlost obrobku vůči loupači jednotce byla 14 m/min. Kyslíková rozšiřovací tryska měla okrouhlý průřez a měla vnitřní průměr 22 cm. Úhel trysky k oceli byl 50°. Proud kyslíku z rozšiřovací trysky byl 850 m³/hod. Laser byl polovodičový impulsový laser Nd-YAG. Průměr svazku vystupujícího z laseru byl 1 cm. Hozbíhavost svazku byla 5 míllřadiánů. Šířka laserového impulsu byla 1,0 mikrosekund. Energie laseru byla 50 joulů. Velikost laserové skrvny měla průměr 2,0 mm a laserová skvrna A byla 1 cm před průmětem B střední čáry rozšiřovací trysky. Čočky o ohniskové vzdálenosti 50 cm bylo použito pro zaostření evazku na jedno místo.

Při práci byl zapálen plamen loupači jednotky a zahájen relativní pohyb mezi loupači jednotkou a obrobkem. Signál pro započetí místního loupání zahájil proud z rozšiřovací trysky a když bylo dosaženo plného proudu, byl laser uveden do impulsů za vytvoření roztaveného místa v oceli a mžikového zahájení termochemické reakce. Přibližně 1/2 sekundy po laserovém impulsu byl proud kyslíku z rozšiřovací trysky postupně zastavován, takže 3/4 sekundy po impulsu byl tok rozšiřovací trysky nulový. Odokujňovací proud byl spuštěn tak, že alespoň 50 % plného proudu bylo dosaženo, když laser fungoval. Odokujňovací kyslík potom udržoval loupači průpich, až tento průpieh byl ukončen předem určeným signálem.

Lze také použít dvou.nebo více kyslíkových paprsků ze dvou nebo více trysek o různých tvarech a velikostech, za účelem rozšíření roztaveného místa vytvořeného laserem na jakoukoliv žádanou šířku místního loupání. Déle lze užít dvou nebo více laserových hlav, je-li to zapotřebí nebo žádoucí.

Claims (4)

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

1. Přístroj pro zahájeni mžikové termochemické reakce na povrchu odokujňovaného kovového obrobku s loupaoím strojem obsahujícím loupači jednotku s alespoň jedním otvorem pro vypouštění předehřívacího plamene a nejméně jednou tryskou pro odokujňovací kyslík, jejíž střední osa je namířena směrem k povrchu loupaného kovového obrobku, vyznačující ae tím, že na Íoupacím stroji je uložena rozšiřovací tryska (2, 53, 76) pro kyslík o vysoké intenzitě, umístěné před loupači jednotkou (3, 51, 71 až 75) se střední osou namířenou v úhlu k povrchu obrobku v předem určené vzdálenosti před střední osou trysky pro odokujňovací kyslík, a kromě toho je tam umístěna laserové jednotka (1, 5, 52), se kterou je sdružena optická soustava (4, 6) pro zaostření laserového svazku generovaného laserovou jednotkou (1, 5, 52) na povrch obrobku v blízkosti průsečíku průmětu střední osy rozšiřovací trysky s povrchem obrobku.

2. Přístroj podle bodu 1, vyznačující se tím, že laserové jednotka (1, 5, 52) je impulsový laser.

3. Přístroj podle bodu 1, vyznačující se tím, že laserová jednotka (1, 5, 52) je polovodičový laser.

4. Přistroj podle bodu 1, vyznačující se tím, že laserové jednotka (1, 5, 52) je krystal Nd-YAG.