DE2720793A1 - Verfahren und vorrichtung zum durchfuehren von thermochemischen schnellstarts - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-INC. GERHARD SCHWAN

BÜRO: «000 MÜNCHEN 83 ■ ELFENSTH.ASSE 32 2720/93

L-1O617-1-G

UNION CARBIDE CORPORATION 270 Park Avenue, New York, N.Y. 10017, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Durchführen von thermochemischen Schnellstarts

709846/11U

FERNSPRECHER.: 0811/6012039 · KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN

■"i

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit dem thermochemischen Abtragen von Metall von einer Werkstücksoberfläche, ein Verfahren, das allgemein als "Flammen" bezeichnet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Durchführen von Schnellstarts oder fliegenden Starts bei Flämmoperationen. Unter einem fliegenden Start soll vorliegend das praktisch augenblickliche Einleiten einer thermochemischen Reaktion auf einem Werkstück verstanden werden, das sich gegenüber der Flämmaschine mit seiner normalen Flämmgeschwindigkeit bewegt, d. h. einer Geschwindigkeit zwischen ungefähr 6 und 45 m/min. Mit Geschwindigkeiten am unteren Ende dieses Bereichs wird beim Flämmen von kalten Werkstükken gearbeitet, während die Geschwindigkeiten am oberen Bereichsende für das Flämmen von warmen Werkstücken benutzt werden.

Es ist bekannt, eine Flämmreaktion einzuleiten, indem das metallische Werkstück auf seine Schmelz- oder Zündtemperatur vorgewärmt wird, was normalerweise mit Hilfe von auf einen relativ kleinen Bereich gerichteten Vorwärmflammen geschieht, bevor auf das Schmelzbad ein schräg verlaufender Flämmsauerstoffstrom aufgeblasen wird. Der Flämmsauerstoffstrom hat eine zweifache Aufgabe: zum einen soll er eine thermochemische Reaktion mit dem Metall bewirken; zum anderen soll er das in Reaktion gegangene Metall wegblasen, wodurch für die Flämmreaktion frisches Metall freigelegt wird.

709846/1 IU

Es ist seit langem bekannt (beispielsweise US-PS 2 205,890), Metallstäbe zu verwenden, um bei Handflämmvorgängen raschere Starts zu erzielen. In diesem Fall muß das Werkstück
stillstehen; der Flömmer muß entsprechend geschickt sein,
um sowohl die Zeitdauer des Flämmsauerstoffstroms vorzugeben, als auch den Brenner und den Stab in geeignetem Winkel zu halten. Es ist auch bekannt (US-PS 2 3O9 O96), maschinelle Flämmreaktionen mit Drähten oder Stäben einzuleiten.
Die dort, beschriebenen Flämmstarts sind jedoch gleichfalls
nur bei stillstehenden Werkstücken möglich.

Es ist bekannt, fliegende Starts mit Hilfe von Metallpulver (US-PS 3 216 867) oder durch Verwendung einer mit Strom gespeisten Elektrode (US-PS 2 513 425 und 3 658 599) durchzuführen. Pulverstarts sind wegen der raschen Abnutzung der
Pulverzuführung unzuverlässig; deshalb sowie angesichts der Kosten des Metallpulvers sind Pulverstarts nicht befriedigend. Die Durchführung von Starts unter Zufuhr von elektrischem Strom ist mit verhältnismäßig komplexen Problemen.verbunden .

Übertragene elektrische Lichtbögen, bei denen das Werkstück ein Teil des elektrischen Stromkreises ist, machen einen
elektrischen Kontakt mit dem bewegten Werkstück erforderlich. Bei nichtübertragenen elektrischen Lichtbogen, bei denen das Werkstück nicht im Stromkreis liegt, ist es notwendig, die Elektrode extrem dicht an die Werkstücksoberfläche

709846/1 1 U

heranzubringen, um ausreichend Wärme zu übertrogen-und auf diese Weise das Werkstück auf die Zündtemperatur aufzuheizen. Dies ist wegen der räumlichen Beschränkungen und auch deshalb unpraktisch, weil die extrem starke Spritzerbildung der Flämmreaktion den Lichtbogenbrenner zerstören würde.

In jüngerer Zeit wurde gefunden (US-PS 3 966 503 und 3 991 985), daß fliegende Starts durchgeführt werden können, indem die zu flammende Metalloberfläche mit einem heißen Draht in Berührung gebracht wird. Der heiße Draht wird durch die Wärme der Vorwärmflammen der Flämmeinheit oder durch eine externe Wärmequelle auf Zündtemperatur gebracht. Es zeigte sich zwar, daß dieses Verfahren in Fällen mit Erfolg durchgeführt werden kann, bei denen mehrere Fleckflämmoperationen vorgenommen werden müssen; es ist jedoch erforderlich, eine der Anzahl der Flämmeinheiten entsprechende Anzahl von Drahtvorschubeinheiten vorzusehen.

Bisher war es also stets notwendig, einen Hilfswerkstoff, beispielsweise Metallpulver oder Drähte, zu verwenden, um das Werkstück auf Zündtemperatur zu bringen.

Vorliegend soll mit dem Begriff Hochintensitätsstrahl zum Ausdruck gebracht werden, daß die durch die Ausbreitdüse hindurchtretende Sauerstoffdurchflußmenge größer als die Sauerstoff durchflußmenge durch eine Flämmdüse von entsprechender Breite ist.

709846/1 1 U

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß ein Hochintensitäts-Laserstrahl auf einem zu flammenden metallischen Werkstück auf einen sehr kleinen Fleck fokussiert werden kann, auf den bereits ein intensiver Sauerstoffstrahl auftrifft oder der gleichzeitig mit einem solchen Strahl in Kontakt gebracht wird, wobei an dem sehr kleinen Fleck für eine augenblickliche Einleitung einer thermpchemischen Reaktion gesorgt wird, die dann auf die volle Breite eines Fleckflämmdurchgangs ausgebreitet wird, d. h. eine Breite, die für gewöhnlich zwischen 5 und 25 cm liegt. Es war bekannt, daß ein Laserstrahl einen kleinen Fleck (0,1 bis 1 mm Durchmesser und 1 mm bis 0,1 mm tief) augenblicklich auf seine Schmelztemperatur bringen kann. Unerwartet war jedoch die Feststellung, daß ein derart kleiner und flacher Bereich an schmelzflüssigem Metall mittels eines Hochintensitäts-Sauerstoffstrahls auf die volle Breite des Fleckflämmschnittes ausgebreitet werden kann. Man hatte angenommen, daß ein Sauerstoffstrahl hoher Intensität eine derart kleine Menge an schmelzflüssigem Metall wegblasen würde, bevor die thermochemische Reaktion eingeleitet ist, oder daß der Sauerstoffstrahl den Fleck so weit abkühlen würde, daß das Einleiten der Reaktion verhindert wird.

Es sind grundsätzlich zwei unterschiedliche Arten von Lasern bekannt, nämlich kontinuierliche Laser und gepulste Laser. Gepulste Laser geben ihre Energie, wie der Name andeutet, in Form von sehr kurzen Stößen hoher Intensität ab. Bei den

709846/1 1 U

- 1 ο -

Schnellstarts der vorliegend betrachteten Art handelt es sich ebenso wie bei einem gepulsten Laser um intermittierende Vorgänge. Daher wird vorliegend vorzugsweise mit gepulsten Lasern gearbeitet. Es versteht sich jedoch, daß auch ein kontinuierlicher Laser eingesetzt werden kann, indem er über eine Blende oder andere äquivalente Maßnahmen gepulst wird. Ein kontinuierlicher Laser wird vorzugsweise bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen.

Mit der Erfindung sollen ein einfaches und verläßliches Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, die es erlauben, einen Schnellstart oder fliegenden Start an einem Werkstück ohne Zufuhr von Hilfsstoffen (z. B. Pulver oder Draht) oder eines elektrischen Lichtbogens durchzuführen. Individuelle gratfreie Fleckflämmschnitte sollen an einem metallischen Werkstück sofort vorgenommen werden können, ohne daß es der Verwendung von Hilfsstoffen oder elektrischen Lichtbogen bedarf. Im Verlauf eines einmaligen Überfahrens der Werkstückoberfläche sollen mehrere augenblicklich eingeleitete, willkürlich angeordnete selektive Flämmschnitte auf der Oberfläche eines Werkstückes ausgeführt werden können, das sich mit normaler Flämmgeschwindigkeit bewegt. Daneben sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, die es erlauben, Sofort- oder fliegende Flämmschnitte auszuführen, ohne daß es eines Hochintensitäts-Sauerstoffstrahls bedarf, um das Startschmelzbad auszubreiten.

7098A6/11U

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Durchführen eines thermochemischen Schnellstarts auf der Oberfläche eines Eisenmetallwerkstücks ist dadurch gekennzeichnet, daß

(a) eine vorbestimmte Stelle der Oberfläche, an der die Reaktion beginnen soll, mit einem Laserstrahl in Berührung gebracht wird,

(b) ein Sauerstoffgasstrahl hoher Intensität an der Stelle der Oberfläche unter Einleiten einer sofortigen Flämmreaktion und Ausbildung eines Schmelzbades an der Stelle zum Auftreffen gebracht wird und

(c) ein Hochintensitäts-Sauerstoffstrahl weiter zum Auftreffen auf dem Schmelzbad gebracht wird, bis sich das Schmelzbad auf eine vorbestimmte Breite ausgedehnt hat.

Eine Vorrichtung zum Durchführen eines Schnellstarts ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Flämmaschine mit einer Flämmeinheit mit Mitteln, die eine Vorwärmflamme und einen Flämmsauerstoffstrom in Richtung auf ein zu flammendes Werkstück austreten lassen; eine auf der Flämmaschine montierte und vor der Flämmeinheit sitzende Sauerstoffausbreitdüse, die an ihrem Austrittsende derart geneigt ist, daß ein Sauerstoffstrahl hoher Intensität unter einem Winkel zur Werkstückoberfläche in einem vorbestimmten Abstand vor dem Flämmsauerstoffstrom ausgebildet wird,sowie einen auf der

709846/1 1 U

Flämmaschine sitzenden Laser mit zugeordnetem optischem System zum Fokussieren eines Laserstrahls auf der Werkstücksoberfläche.

Nachdem das Schmelzbad auf seine vorgewählte Breite ausgebreitet ist, ist der Schnellstart abgeschlossen. Der Ausbreitsauerstoffstrahl kann dann eingeschaltet bleiben und benutzt werden, um die Flämmreaktion durchzuführen; er kann aber auch abgeschaltet werden, und es kann ein anderer Sauerstoffstrom zum Auftreffen auf dem ausgebreiteten Schmelzbad unter einem spitzen Winkel zur Werkstücksoberfläche gebracht werden, um die Flämmreaktion zu übernehmen und durchzuführen. Die Art des gewünschten Flämmschnittes bestimmt die Art des Flämmsauerstoffstroms, der vorgesehen wird, um die Flämmreaktion von dem Ausbreitstrahl zu übernehmen.

Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Durchführen eines Sofortflämmschnitts auf der Oberfläche eines metallischen Werkstücks dadurch gekennzeichnet, daß

(a) für eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einem Flämmsauerstoffgasstrom gesorgt wird und gleichzeitig damit

(1) zur Ausbildung einer aufgeheizten Strecke von gewünschter Länge quer zur Oberfläche bezüglich deren

709846/1 1 U

Bewegungsrichtung mindestens ein Laserstrahl auf der Werkstücksoberfläche zum Auftreffen gebracht wird, wobei die aufgeheizte Strecke dadurch erzeugt wird, daß dar Laserstrahl eine Folge von Punkten auf der Oberfläche auf ihre Sauerstoffzündtemperatur bringt, und

(2) zum Einleiten eines Sofortflämmschnitts entlang der Strecke ein Flämmsauerstoffstrom zum Auftreffen auf der aufgeheizten Strecke gebracht wird, und daß

(b) der Flämmsauerstoffstrom fortgesetzt wird, bis die gewünschte Schnittlänge erzeugt ist.

Entsprechend dieser abgewandelten Ausführungsform der Erfindung ist die Flämmvorrichtung gekennzeichnet durch

(a) eine Flämmdüsenanordnung, mittels deren ein gesteuerter Flämmsauerstoffstrom auf die Oberfläche eines zu flammenden Werkstückes richtbar ist,

(b) eine Einrichtung, die für eine Relativbewegung zwischen der Düsenanordnung und dem Werkstück sorgt, und

(c) eine Laseranordnung, mittels deren zur Ausbildung einer aufgeheizten Strecke von gewünschter Länge quer zur Oberfläche bezüglich deren Bewegungsrichtung mindestens

709846/11U

ein Laserstrahl auf der Werkstücksoberfläche zum Auftreffen bringbar ist, wobei der Laserstrahl eine Folge von Punkten auf der Oberfläche auf ihre Sauerstoffzündtemperatur erhitzt und die aufgeheizte Strecke nahe der Mittellinienprojektion des Flämmsauerstoffstroms auf der Werkstücksoberfläche liegt.

Bei Anwendung dieser abgewandelten Ausführungsform besteht das bevorzugte Verfahren der Erhitzung der Werkstücksoberfläche mittels Laser auf ihre Sauerstoffzündtemperatur darin, da3 ein kontinuierlicher Laserstrahl derart verstellt wird, daß der Strahl ein Kontinuum von Punkten quer zur Oberfläche des Werkstückes trifft.

Der vorliegend verwendete Begriff "Schnellstart" soll sowohl fliegende Starts als auch Starts einschließen, bei denen zwischen dem Werkstück und der Flämmvorrichtung keine Relativbewegung erfolgt, bis der Laserstrahl mit der vorgewählten Stelle in Berührung kommt. Im Augenblick des Kontakts wird jedoch sofort mit der normalen Flämmgeschwindigkeit begonnen (ohne daß in der bekannten Weise auf die Ausbildung des Schmelzbades gewartet wird), so daß der Start erfolgt, während sich Werkstück und Flämmvorrichtung gegeneinander bewegen. Würde die Vorschubbewegung nicht sofort beim Auftreffen des Laserstrahls eingeleitet, würde der Sauerstoffstrahl innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne in dem Werkstück ein Loch ausbilden. Es versteht sich, daß die Re-

709846/1 1 U

lativbewegung erfolgen kann, indem entweder die Werkstücksoberfläche gegenüber einer stillstehenden Flämmvorrichtung bewegt wird, oder umgekehrt.

Unter dem Begriff "Flämmsauerstoffstrom" soll vorliegend ein Sauerstoffgasstrom verstanden werden, der schräg auf die Werkstücksoberfläche gerichtet wird und ausreichende Intensität hat, um auf thermochemischem Wege eine Metalloberflächenschicht abzutragen, und zwar für gewöhnlich bis zu einer Tiefe von ungefähr 1 bis 8 mm, wobei ein Flämmschnitt von mindestens 25 mm Breite ausgeführt wird. Flämmsauerstof f ströme sind vorzugsweise flächig ausgebildet, können jedoch auch kreisförmig oder von anderer Form sein.

Ein einzelner gratfreier Fleckflämmschnitt läßt sich durchführen, indem auf das Schmelzbad ein schräger, flächiger Flämmsauerstoffgasstrom gerichtet wird, dessen Strömungsintensität in Richtung auf die Ränder des Stroms allmählich vermindert wird, um an den Seitenkanten der Düsenöffnung, aus welcher er austritt, die Intensität Null zu erreichen. Dabei wird ein Schnitt erhalten, dessen Breite kleiner als die Breite der Austrittsöffnung ist. Ein derartiger Flämmschnitt läßt sich mit Düsen ausführen, wie sie in der DT-OS 2 638 3O4 beschrieben sind.

Soll ein selektives Fleckflämmen der gesamten Oberfläche eines Werkstückes in einem einzigen Durchgang erfolgen, müssen

709846/1114

die Flämmschnitte nicht nur gratfrei sein, sondern auch in der Weise ausgebildet werden, daß einander benachbarte Schnitte sich weder überlappen noch übermäßig hohe Wülste oder tiefe Auskehlungen zwischen den Schnitten entstehen. Dies erfordert die Möglichkeit, am Schmelzbad seitlich aneinander angrenzende Flämmsauerstoffströme austreten zu lassen, deren Strömungsintensität jeweils in Richtung auf ihre Ränder allmählich abnimmt und von denen jeder einen Flämmschnitt erzeugt, der mindestens ebenso breit wie die betreffende Austrittsöffnung ist. Düsen zur Durchführung derartiger Flämmschnitte sind in der US-PS 4 013 486 beschrieben. Wenn diese Flämmeinheiten mit normaler Flämmgeschwindigkeit über das Werkstück laufen, können sie in vorgewählter Weise ein- und ausgeschaltet werden, um jede beliebige willkürliche Verteilung von Fehlerstellen auf der Werkstücksoberfläche auszuflammen.

Soll ein herkömmlicher Flämmvorgang ausgeführt werden, kann dies erfolgen, indem ein schräg verlaufender, flächiger Flämmsauerstoffstrom, dessen Strömungsintensität über die volle Breite im wesentlichen gleichförmig ist, von einer herkömmlichen rechteckförmigen Düse aus auf das Schmelzbad gerichtet wird. In einem solchen Fall bietet der Flämmschnellstart den Vorzug, daß die Flämmreaktion auf einem Werkstück eingeleitet werden kann, wenn dieses mit den Flämmeinheiten in entsprechende Ausrichtung kommt, ohne daß das Werkstück oder die Flämmeinheiten verlangsamt oder angehalten zu wer-

709846/11U

den brauchen, um die Fldmmreaktion beginnen zu lassen, wie dies bei der Verwendung von herkömmlichen Vorwärmflammen erforderlich ist. Der Schnellstart erlaubt es, mit dem Flämmvorgang unmittelbar auf den Kontakt der Vorrichtung mit dem Werkstück hin zu beginnen.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht, aus der das Verfahren und die dabei verwendete Vorrichtung zum Durchführen eines einzelnen gratfreien Fleckflämmschnitts mit einem Schnellstart entsprechend der Erfindung zu erkennen sind,

Fig. 2 eine Stirnansicht der Flämmsauerstoffdüsen-

bffnung entsprechend der Linie 2-2 der Fig. 1 ,

Fig. 3, 4, schematische Darstellungen, die,von oben ent-5 und 6 lang der Linie 3-3 der Fig. 1 gesehen,die Folge von Reaktionen erkennen lassen, die auf dem Werkstück bei der Durchführung eines erfindungsgemäSen Schnellstarts stattfinden,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung be-

7098AS/11U

stimmten Vorrichtung, die zum Zwecke der Fernsteuerung an einem Ausleger montiert ist,

Fig. 8 und 9 abgewandelte Ausführungsformen der Vorrichtung nach Fig. 7,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer weiteren

bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der mehrere einander benachbarte Flämmeinheiten vorgesehen sind, um in einem einzigen Durchgang für ein selektives Mehrschnitt-Fleckflammen der vollen Werkstücksbreite mit Schnellstart zu sorgen,

Fig. 11 eine abgewandelte Ausführungsform der Laseranordnung nach Fig. 10,

Fig. 12 eine Stirnansicht der bei den Flämmeinhei-

ten nach Fig. 10 verwendeten Flämmsauerstoffdüsenöf fnungen,

Fig. 13 eine Draufsicht auf die Anordnung nach

Fig. 1O, aus der zu erkennen ist, wie mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung mehrere Fleckflämmschnitte mit Schnellstart in einem einzigen Durchgang über die volle Werk-

7098AB/11U

stücksbreite hinweg durchgeführt werden,

Fig. 14 eine Seitenansicht, aus der eine abgewandelte Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung zu erkennen sind, bei der kein Hochintensitätssauerstoffstrahl erforderlich ist,

Fig. 15 eine Stirnansicht (ohne Flämmeinheit) der Anordnung nach Fig. 14, die eine bevorzugte Ausführungsform der Anwendung eines Lasers erkennen läßt, um eine Folge von Punkten auf der Oberfläche eines Werkstücks nacheinander auf ihre Sauerstoffzündtemperatur zu erhitzen ,

Fig. 16 eine abgewandelte Ausführungsform zum Erhitzen der Oberfläche des Werkstücks mittels Laser, und

Fig. 17 die Form eines Flämmschnitts, die erhalten

wird, wenn die Anordnung gemäß Fig. 16 zur Durchführung eines fliegenden Starts verwendet wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist eine Lasereinheit 1 mit einer Fokussierlinse 4 entweder auf der Flämmaschine oder

709846/1114

entfernt von dieser montiert und derart angeordnet, daß ein Laserfleck die Oberfläche des Werkstücks W an dem Punkt A trifft, d. h. dem Punkt, an dem die Flämmreaktion unmittelbar vor der Fehlerstelle beginnen soll. Es ist ferner eine Sauerstoffausbreitdüse 2 vorgesehen, bei der es sich um eine einfache Runddüse mit einer Bohrung von 1 bis 5 cm handeln kann. Die Düse bildet Schmelzbäder mit einer Breite von ungefähr 5 cm bis 25 cm aus. Die Düse 2 ist an ihrem austrittsseitigen Ende unter einem solchen Winkel gegenüber der Werkstücksoberfläche geneigt, daß die projizierte Mittellinie des aus der Ausbreitdüse austretenden Sauerstoffstrahls 30 die Werkstücksoberfläche an dem Punkt B trifft, der im folgenden als Sauerstoffauftreffstelle bezeichnet ist. Der Punkt A kann in einem Bereich liegen, der von einer Position vor dem Punkt B bis zu einer Position reicht, die bis zum Punkt C hinter dem Punkt B liegt. Bei dem Punkt C handelt es sich um die Projektion des Innendurchmessers der Ausbreitdüse 2. Eine Flämmeinheit 3 weist herkömmliche obere und untere Vor-^ wärmblöcke 12 bzw. 13 auf, die mit einer Reihe von Vorwärmflammenauslässen 14 bzw. 15 für vorvermischte oder nachvermischte Vorwärmflammen sowie mit zweckentsprechenden Gasdurchlässen versehen sein können. Wird mit nachvermischten Vorwärmflammen gearbeitet, was im Hinblick auf eine größtmögliche Sicherheit vorzuziehen ist, tritt aus den Auslässen 14 und ein Brenngas aus, das nach Zünden durch Vermischen mit einem langsamen Sauerstoffstrom brennt, der den Flämmsauerstoffdüsenschlitz 16 verläßt, der von der Unterseite 17 des oberen

709846/11U

Vorwärmblockes 12 und der Oberseite 18 des unteren Vorwärmblockes 13 gebildet wird. Die schlitzförmige Sauerstoffdüse 16 endet in einer Auslaßöffnung 19. Um einen einzelnen gratfreien Fleckflämmschnitt zu erzeugen, ist die Öffnung 19 in der in Fig. 2 veranschaulichten Weise geformt. Sauerstoff und Brenngas werden der Flämmeinheit 3 in benannter Weise über Zuleitungen 20 bzw. 21 zugeführt.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 arbeitet wie folgt: Zunächst werden die von der Flämmeinheit 3 ausgehenden Vorwärmflammen gezündet, indem man Brenngas aus den Reihen der Vorwärmauslässe 14 und 15 austreten läSt und einen schwachen Sauerstoff gasstrom über die Öffnung 19 zuführt. Diese bei 22 angedeuteten Vorwärmflammen erreichen die Werkstücksoberfläche und werden nach oben und hinten umgelenkt. Wenn der auszuflammende fehlerhafte Bereich des sich bewegenden Werkstücks W eine Stelle erreicht, die kurz vor dem Punkt B liegt, wird ein Hochintensitäts-Sauerstoffstrahl aus der Düse 2 abgegeben und zum Auftreffen auf der Werkstücksoberfläche am Punkt B gebracht. Wenn der fehlerhafte Bereich den Punkt A erreicht, wird der Laserstrahl gepulst, wodurch der betreffende Fleck sofort auf Zündtemperatur gebracht und eine Flämmreaktion augenblicklich eingeleitet wird. Der die Düse 2 verlassende Sauerstoffstrahl bewirkt, daß das von dem Laserimpuls gebildete kleine Schmelzbad sehr rasch auf seine volle Breite ausgebreitet wird, worauf dieser Sauerstoffstrahl abgeschaltet und der aus der Öffnung 19 austretende

709846/11U

Flämmsauerstoffstrom , der auf den Punkt D auf der Werkstücksoberfläche gerichtet ist, auf seine Flämmdurchflußmenge gesteigert wird, um die Reaktion von der Ausbreitdüse zu übernehmen. Der Flämmsauerstoffstrom bleibt eingeschaltet, solange der Flämmschnitt fortgeführt werden soll.

Die Schritte, die dem Zünden der von der Flämmeinheit 3 abgegebenen Vorwärmflammen folgen, lassen sich automatisieren und beispielsweise über eine Reihe von Taktfolgezeitgliedern, Relais und Magnetventilen so steuern, daß ein Flämmer oder ein zweckentsprechendes Signal die oben erläuterte Schrittabfolge einleitet, die dann selbsttätig durchgeführt wird. Ein zweites Signal ist erforderlich, um den Schnitt zu beenden, indem der Flämmsauerstoffgasstrom abgeschaltet oder auf einen Wert herabgesetzt wird, der gerade ausreicht, um die Vorwärmflammen weiterbrennen zu lassen. In diesem Zustand ist die Vorrichtung bereit, um sofort einen weiteren Fleckflämmvorgang durchzuführen.

Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform der vorstehend erläuterten Schrittabfolge wird der Flämmsauerstoffstrom gleichzeitig mit dem Ausbreitstrahl eingeschaltet. Letzterer hat eine wesentlich größere Wucht oder Stoßkraft und steuert daher den Ablauf der thermochemischen Operation; das heißt, er bewirkt die Ausbreitung des aufgeschmolzenen Fleckes. Wenn dann der Sauerstoffstrahl der Ausbreitdüse abgeschaltet wird, übernimmt der Flämmsauerstoffstrom die Reaktion sehr allmäh-

709846/1 1 U

lieh und gleichmäßig, jedoch gleichwohl rasch.

Fig. 2 zeigt die Flämmdüsenöffnung 19, die bei der Flämmeinheit nach Fig. 1 verwendet wird, um einen einzelnen gratfreien Flämmschnitt auszubilden. Andere Flämmdüsen, die sich für die vorliegenden Zwecke eignen, sind im einzelnen in der DT-OS 2 638 304 erläutert. Hervorzuheben, ist, daß ein kritisches Merkmal einer solchen Düse darin besteht, daß der erzeugte Schnitt eine geringere Breite als die Düse selbst hat. Dies ist notwendig, um einen gratfreien Fleckflämmschnitt zu erzielen. Gleichzeitig wird es dadurch jedoch unmöglich, solche Düsen Seite an Seite mit einer weiteren derartigen Düse zu benutzen, weil die dabei erhaltenen parallelen Schnitte zwischen den einzelnen Schnitten einen nichtgeflammten Oberflächenbereich stehenlassen würden. Infolgedessen eignen sich derartige Düsen nur zur Ausbildung von einzelnen gratfreien Schnitten. Fig. 2 laßt den oberen und den unteren Vorwärmblock 12 und 13 erkennen, die mit den Reihen von oberen und unteren Vorwärmbrenngasauslässen 14 bzw. 15 ausgestattet sind. An beiden Enden der Öffnung 19 der Sauerstoffdüse befinden sich dreieckige Einsätze 25, die bewirken, daß die Intensität der Randteile des die Öffnung 19 verlassenden SauerstoffStroms allmählich abnimmt, d. h. die auf die Werkstücksoberfläche übertragene Stoßkraft geringer wird.

Während bei der Anordnung nach Fig. 1 der Punkt A hinter dem Punkt B liegt, kann die gegenseitige Lage und Entfernung die-

709846/11U

ser Punkte so variiert werden, daß der Punkt A von ungefähr 10 cm vor dem Punkt B bis zu einem Abstand hinter dem Punkt B liegen kann, der durch die Projektion des Innendurchmessers der Düse 2 bestimmt wird (vergleiche Punkt C). Der Punkt C hängt also von der Größe und der Form der Düse 2 ab. Vorzugsweise ist der gegenseitige Abstand zwischen den Punkten A und B so gewählt, daß der Punkt A ungefähr 1 cm vor dem Punkt B liegt. Der günstigste Bereich für den Abstand zwischen dem Punkt A und B hängt von dem Winkel cc ab, unter dem der Sauerstoffstrahl auf die Werkstücksoberfläche gerichtet wird; er ist ferner eine Funktion der Größe der Strahldüse. Der Winkel oc kann zwischen ungefähr 30° und 80° schwanken; vorzugsweise liegt der Winkeioc zwischen 50° und 60°. Wenn der Winkel oC der Düse 30 beträgt und eine Runddüse mit einem Innendurchmesser von 2 cm benutzt wird, sollte der Abstand zwischen A und B zwischen O und 8 cm liegen. Bei Verwendung einer Düse gleicher Größe und eines Winkels ot von 80° beträgt dieser Bereich O bis 3 cm. Der Punkt C, bei dem es sich um den Schnittpunkt der Projektion der Rückseite der Ausbreitdüse und der Werkstücksoberfläche handelt, bildet den Grenzwert für den Abstand, den der Punkt A hinter dem Punkt B liegen kann, wenn ein fliegender Start gewährleistet sein soll.

Die Skizzen gemäß den Fig. 3 bis 6 zeigen, wie entsprechend dem vorliegend geschilderten Verfahren durchgeführte Schnellstarts oder fliegende Starts ablaufen. Es ist dabei hervorzu-

709848/1 1 U

heben, daß die in den Fig. 3 bis 6 veranschaulichte Schrittfolge die Reaktion darstellt, die in ungefähr 1 s abläuft.

Fig. 3 gilt für den -Zeitpunkt, zu dem der Laserstrahl den Punkt A erreicht hat, d. h. den Punkt an dem der Fleckflämmvorgang beginnen soll. Der Pfeil deutet die Richtung an, in der das Werkstück W mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 15 m/min läuft. Gleichzeitig bewirkt aus der Ausbreitdüse 2 austretender Sauerstoff ein Zünden der Werkstücksoberfläche. Dadurch wird der den Punkt A umgebende Bereich 23 aufgeschmolzen. Der Schnell- oder Momentanstart hat begonnen.

Fig. 4 zeigt den gleichen Bereich ungefähr 1/4 s später als die Fig. 3. Während sich das Stahlwerkstück in Pfeilrichtung weiterbewegt, beginnt das Schmelzbad 24, sich unter dem Einfluß des Sauerstoffstrahls der Ausbreitdüse fächerförmig auszubreiten.

Fig. 5 stellt den Fehlerbereich ungefähr 1/2 s später als Fig. 3 dar. Der Bereich 25' zeigt das Schmelzbad, das sich auf dem weiterbewegten Werkstück W auf Grund des fortgesetzten Austritts von Sauerstoff aus der Ausbreitdüse 2 ausgebreitet hat. Wenn das Schmelzbad auf seine maximale Breite von ungefähr 25 cm ausgebreitet ist, wird der die Düse 2 verlassende Sauerstoff abgestellt; die Durchflußmenge des die Flämmeinheit 3 verlassenden Flämmsauerstoffs wird erhöht, um die Flämmreaktion zu übernehmen. Der Flämmsauerstoffstrom

709*46/1114

erfaßt das Schmelzbad und setzt den Flammschnitt in dem Bereich 26 fort. Der Bereich 26 enthält sowohl schmelzflüssiges Metall als auch Schlacke auf der Oberseite von ungeflämmtem Stahl; er ist von dem durchgehend aufgeschmolzenen Badbereich 25' klar zu unterscheiden.

Die Art, in der die Reaktion fortschreitet, ist in Fig. 6 dargestellt, die die Reaktion ungefähr 1 s später als die Fig. 3 wiedergibt. Der Bereich 27 wurde geflammt; der Bereich 28 ist aufgeschmolzen, jedoch hat noch kein Metallabtrag stattgefunden; innerhalb des Bereichs 29 befindet sich ein Gemisch aus Schlacke und schmelzflüssigem Metall auf der Oberseite von ungeflämmtem Stahl. Während die Oberfläche des metallischen Werkstücks sich unter der Flämmvorrichtung hindurchbewegt, durchläuft sie drei deutlich unterscheidbare Stufen. Bei der ersten Stufe handelt es sich um einen Bereich von geschmolzenem Metall und Schlacke auf nichtgeflämmtem Stahl. In der zweiten Stufe ist nur schmelzflüssiges Metall anzutreffen. In der dritten Stufe ist der betreffende Bereich geflammt. Zu dem in Fig. 6 veranschaulichten Zeitpunkt ist der Ausbreitsauerstoffstrom ausgeschaltet; die Flämmeinheit 3 führt einen Flämmschnitt voller Breite aus. Es ist wichtig, festzuhalten, daß die Breite des von der Flämmdüse ausgeführten Schnittes gleich der Breite ist, über die hinweg die Ausbreitdüse 2 das Schmelzbad ausgebreitet hat. Dies ist wichtig, um eine Gratbildung zu vermeiden.

709846/11U

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung
nach Fig. 1, die an einem Ausleger montiert ist, um die
Flämmvorrichtung sowohl in Querrichtung über die Breite des Werkstückes W hinweg als auch in Längsrichtung entlang der
Ldngsabmessung des Werkstückes verstellen zu können. Ein
waagrechtes Rahmenteil 31 ist an einer auf Schienen geführten Steuerkanzel 32 befestigt. Die Kanzel 32 enthält die
Steuerungen für den Betrieb der Vorrichtung, so unter anderem die Lasersteuerungen sowie die Steuerungen für den die
Ausbreitdüse 2 verlassenden Sauerstoff sowie den Sauerstoff und die Brenngase, die der Flämmeinheit 3 über die Zuleitungen 2O bzw. 21 zugeführt werden. Die Kanzel 32 ist in
seitlicher Richtung entlang dem Werkstück W auf Schienen 33 verfahrbar . Eine an einer der Schienen befestigte Zahnstange 34 steht mit einem unter der Kanzel 32 sitzenden, nicht
veranschaulichten, motorisch angetriebenen Ritzel in Eingriff, wodurch die gesamte, an einem Ausleger montierte
Flämmanordnung und die Kanzel in gewünschter Weise entlang
den Schienen 33 bewegt werden können. Die aus der Flämmeinheit 3, der Düse 2 und der Laseranordnung 5 bestehende
Flämmanordnung ist an einem Wagen 37 befestigt, der an einer Platte 38 auf- und abläuft, die ihrerseits an einem Gehäuse 4O angebracht ist. Mit Hilfe eines Motors 39 wird die Flämmanordnung über eine nicht veranschaulichte Kombination von Zahnstange und Ritzel in gesteuerter Weise angehoben
und abgesenkt; die betreffende Zahnstange ist an der Platte 38 befestigt.

709846/1 1 U

Die Flämmanordnung und das Gehäuse 40 lassen sich über die Breite des Werkstückes W hinweg mit Hilfe eines motorisch angetriebenen Ritzels 35 verstellen, das mit einer am Rahmen 31 befestigten Zahnstange 36 zusammenwirkt.

Mit Hilfe der in Fig. 7 veranschaulichten Vorrichtung können auf der Oberfläche des Werkstückes verteilte Fehlerstellen selektiv ausgeflämmt werden, indem die Vorrichtung mit der Fehlerstelle ausgerichtet und dann in Längsrichtung über die Fehlerstelle hinwegbewegt wird. Der Bereich 41 stellt einen typischen, mittels der veranschaulichten Vorrichtung ausgeführten Fleckflämmschnitt dar. ,

Fig. 8 zeigt eine abgewandelte Anordnung des Laserkopfes 5. In dieser Figur sind den Bauteilen gemäß Fig. 7 entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Laser selbst ist an entfernter Stelle angeordnet. Durch Verwendung einer optischen Anordnung, in diesem Falle eines 9O -Prismas, wird der Laserstrahl von der rechten Seite des Werkstückes aus auf den Punkt B gerichtet. Im Falle der Anordnung nach Fig. 9 ist die Düse 2 von der rechten Seite des Werkstückes W aus auf den Punkt B gerichtet, so daß das Schmelzbad in Richtung auf die linke Seite des Werkstückes vor die Flämmeinheit 3 getrieben wird. Diese Anordnung erlaubt es, das Startschmelzbad rascher über eine breitere Fläche hinweg auszubreiten, so daß breitere Flämmschnitte ausgeführt werden können, als dies bei Verwendung einer

709846/11U

gleich groß bemessenen Düsenanordnung im Falle der Figuren 7 und 8 der Fall ist. Es versteht sich, daß die Düse 2 auch auf der linken Seite oder in einer beliebigen Zwischenstellung angebracht sein kann. Ferner kann auch mit einer Kombination von zwei derartigen Düsen gearbeitet werden; mit Hilfe der Ausbildung nach den Fig. 7 oder 8 kann das Starten erfolgen; mittels der Anordnung nach Fig. 9 kann das Schmelzbad ausgebreitet werden.

Fig. 1O zeigt in perspektivischer Darstellung eine Mehrzahl von Flämmeinheiten, die mit Düsen ausgestattet sind, um die volle Breite eines Werkstückes W in einem einzigen Durchgang in einer Mehrzahl von Schnitten unter Durchführung von Schnellstarts oder fliegenden Starts selektiv zu flämmen. Die Flämmeinheiten 51, ein Laserkopf 52 mit einer Mehrzahl von optischen Anordnungen und Ausbreitdüsen 53 sind auf einem verfahrbaren Wagen 54 fest montiert, der auf Schienen und 56 läuft und über einen Zahnstangen-Ritzel-Antrieb verschoben werden kann. Die Schienen 55 und 56 sind auf Schienenträgern 57 fest montiert. Die Laseranordnung 52 kann ein Gehäuse H aufweisen, das mittels Stickstoff oder einem anderen Gas gespült wird. In dem Gehäuse H sind in vorbestimmten Abständen teilweise durchlässige und teilweise reflektierende 9O -Prismen P angeordnet. Die Prismen erlauben es, die Energie des Laserstrahls aufzuspalten und auf mehrere Flecke auf der Werkstücksoberfläche zu verteilen. Statt dessen können 90 -Spiegel verwendet werden, die wahlweise in den Weg

709846/1114

des Strahls eingeschwenkt oder aus diesem herausgeschwenkt werden, um den Strahl zu dem gewünschten Fleck zu leiten. Es kann also mit jedem beliebigen optischen System gearbeitet werden, das entweder mit Strahlteilung oder wahlweiser Strahlumlenkung arbeitet. Die Gesamtanordnung der nebeneinander sitzenden,für einen fliegenden Start geeigneten Flämmeinheiten kann über die volle Länge des Werkstücks W hinweglaufen, so daß die gesamte Breite mit normaler Flämmgeschwindigkeit selektiv geflammt werden kann, indem jede der Flämmanordnungen gesondert wahlweise betätigt wird. Obwohl bei der in Figur 10 veranschaulichten Vorrichtung das Werkstück stillsteht und die Flämmvorrichtung über das Werkstück hinwegläuft, ist es möglich und in einigen Fällen günstiger, umgekehrt vorzugehen, das heißt mit einer stillstehenden Flämmvorrichtung zu arbeiten, unter der die Werkstücke auf Rollen hindurchlaufen, die mit normaler Flämmgeschwindigkeit angetrieben sind.

Fig. 11 zeigt eine weitere Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1O. Bei dieser Ausführungsform richtet ein Spiegel M den vom Laserkopf L kommenden Laserstrahl zu einer Mehrzahl von festen Spiegeln F, die so montiert sind, daß der von diesen Spiegeln aufgefangene Strahl über eine Fokussierlinse G auf die Werkstücksoberfläche W gerichtet wird.

Wenn mit den in den Fig. 1O und 11 veranschaulichten Vorrichtungen selektive Mehrschnitt-Fleckflämmvorgänge ausge-

709846/11U

führt werden, bei denen zwei oder mehr Schnitte von einander überlappender Dauer gemacht werden müssen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingeleitet werden können, bei denen in jedem Falle jedoch die Geschwindigkeit durch die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Flämmanordnung bestimmt ist, kann keine Pause oder Absenkung der Flämmgeschwindigkeit von dem Augenblick an toleriert werden, an dem der erste Schnitt begonnen wurde, bis der letzte Schnitt abgeschlossen ist. Der Grund dafür ist, daß eine Pause in unkontrollierbarer Weise einen von einer benachbarten Einheit gerade durchgeführten Schnitt beeinträchtigen würde. Mit anderen Worten, wenn beispielsweise die Anordnung zu dem bei bekannten Anlagen üblichen Vorwärmen verlangsamt werden müßte, würde eine benachbarte Anordnung, bei welcher der Flämmsauerstoff eingeschaltet ist, in dem Werkstück ein tiefes Loch ausbilden. Daraus folgt, daß bei einem selektiven Mehrschnitt-Fleckflämmvorgang keine Verlangsamung geduldet werden kann und daß für eine einwandfreie Durchführung eines solchen Verfahrens ein Sofortstart oder fliegender Start von derart ausschlaggebender Wichtigkeit ist.

Außerdem ist es wesentlich, daß bei diesem Verfahren keine Flämmschnitte verursacht werden, die entweder den von einer benachbarten Einheit zu flammenden Bereich überlappen oder Grate oder Wülste zwischen benachbarten Flämmschnitten verursachen. Dieses Erfordernis wird erfüllt, indem für einen Gruppendurchgang geeignete Flämmsauerstoffdüsen vorgesehen

709846/1 1 U

werden, d. h. mehrere nebeneinander angeordnete Flammeinheiten mit Düsen der in Fig. 12 veranschaulichten Art.

Fig. 12 zeigt die Stirnfläche der Flämmeinheiten, die für die Gruppendurchgang-Flämmdüsen gemäß Fig. 10 vorgesehen sind. Diese Düsen umfassen jeweils eine Reihe von oberen und unteren Nachmisch-Brenngasauslässen 61 bzw. 62, die oberhalb bzw. unterhalb einer Auslaßöffnung 63 für den Flämmsauerstoff sitzen. Die Öffnung 63 ist typischerweise ungefähr 6 mm hoch und 20 cm breit. Ihre Kanten sind durch Endwandteile 64 teilweise abgeschlossen. Diese sind im Bereich der unteren Kante typischerweise ungefähr 3 cm lang; ihre größte Höhe beträgt 4 mm; sie weisen einen Schrägschnitt mit einem Innenwinkel von ungefähr 10 auf. Derartige Endwandteile 64 sind an jedem Ende jeder Flämmsauerstofföffnung 63 vorhanden, um den Sauerstoffstrom in Richtung auf die Kanten jeder Einheit allmählich zu verringern, ohne jedoch die Kante der Einheit völlig zu verschließen, wie dies bei der in Fig. 2 veranschaulichten Öffnung der. Fall ist. Öffnungen der in Fig. 2 dargestellten Art erzeugen auf dem Werkstück einen Flämmschnitt, dessen Breite geringer als die Breite der Öffnung ist, aus welcher der Sauerstoff austritt, wohingegen die Gruppendurchgang-Öffnung 63 gemäß Fig. 12 zu einem Schnitt führt, der zwar in Richtung auf seine Außenkanten hin flacher wird, jedoch mindestens die gleiche Breite wie die Öffnung 63 selbst hat.

709846/11U

Fig. 13 stellt eine Draufsicht dar, die erkennen läßt, wie die Vorrichtungen gemäß den Fig. 10 und 11 arbeiten, wenn ein Werkstück mit fliegenden Starts in mehreren Schnittbahnen selektiv fleckgeflammt werden soll. Dabei sind in Fig.iü mehrere nebeneinandersitzende Flämmeinheiten 51 dargestellt, von denen jede eine Sauerstoffausbreitdüse 53 und ein optisches System mit Prismen P und einer Fokussierlinse innerhalb des Rohrs T aufweist und von denen jede mit Sauerstoff und Brenngas versorgt wird.

Die fehleraufweisenden Bereiche auf der Oberfläche des Werkstücks W, die fleckgeflammt werden sollen, sind mit 81, 82, 83, 84 und 85 bezeichnet. Wenn die sich bewegende Gruppe von benachbarten Flämmeinheiten (jetzt mit den Bezugszeichen 71, 72, 73, 74 und 75 versehen) mit dem Werkstück W in Kontakt kommt, muß die Einheit 74 einen fliegenden Start durchführen, wenn sie das vordere Ende 86 des Bereichs 84 erreicht. Die Einheit 74 muß eingeschaltet bleiben, bis sie am hinteren Ende 87 des Bereichs 84 ankommt. Dann wird die Einheit 74 abgeschaltet, während die Einheiten 71 und 72 fliegend gestartet werden. Während die Gruppe der Flämmeinheiten über das Werkstück läuft, bleibt die Einheit 72 eingeschaltet, bis sie das hintere Ende des fehlerhaften Bereichs 82 erreicht. Sie wird dann entweder durch den Flämmer oder aber auf Grund eines mechanischen oder elektrischen Signals hin abgesperrt, während die Einheit 71 eingeschaltet bleibt. Die Einheit 74 wird erneut eingeschaltet, um mit dem Fleckfläm-

7098A8/11U

men des Bereichs 85 zu beginnen. Wenn sich die Flämmeinheitengruppe dem Anfang des Bereichs 83 nähert, wird die Einheit 73 eingeschaltet, während die Einheit 74 am Ende des Bereichs 85 abgeschaltet wird. Die Einheit 71 wird abgeschaltet, wenn das Ende des Bereichs 81 erreicht ist. Während des gesamten Fleckflämmdurchganges bleibt die Einheit 75 ausgeschaltet, da in der von dieser Einheit überlaufenen Zone des Werkstücks keine Fehler vorlagen.

Die Fig. 14 bis 17 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform, bei der kein Hochintensitäts-Sauerstoffstrahl und keine Ausbreitdüse erforderlich sind.

Entsprechend Fig. 14 ist eine Lasereinheit 1 mit einer Fokussierlinse 4 auf dem (nicht gezeigten) Rahmen der Flämmmaschine montiert (sie könnte auch an entfernt liegender Stelle angebracht sein) und so angeordnet, daß der Laserstrahl R an dem Punkt A, wo der Flämmschnitt beginnen soll, auf die Oberfläche des Werkstücks W trifft. Die Flämmeinheit 3 weist typischerweise konventionelle obere und untere Vorwärmblöcke 12 bzw. 13 auf, die mit einer Reihe von Vormisch- oder Nachmisch-Vorwärmauslässen 14 und 15 sowie zweckentsprechenden Gasdurchlässen versehen sein können. Der Flämmsauerstoffdüsenschlitz 16 wird von der Unterseite 17 des oberen Vorwärmblocks 12 und der Oberseite 18 des unteren Vorwärmblocks 13 gebildet. Die schlitzförmige Sauerstoffdüse 16 endet in einer Austrittsöffnung 19. Um die

709846/11H

thermochemische Reaktion einzuleiten, kann der Punkt A geringfügig vor dem Bereich liegen, der von den geradlinigen Projektionen der Oberflächen 17 und 18 auf die Werkstücksoberfläche begrenzt wird, oder mit diesem Bereich zusammenfallen. Sauerstoff und Brenngas werden der Flämmeinheit 3 in bekannter Weise über die Zuleitungen 20 bzw. 21 zugeführt.

Die Vorrichtung nach Fig. 14 arbeitet wie folgt. Zunächst werden die von der Flämmeinheit 3 ausgehenden Vorwärmflammen entzündet, indem man Brenngas aus den Reihen der Vorwärmauslässe 14 und 15 austreten läßt und einen schwachen Sauerstoffgasstrom über die Öffnung 19 zuführt. Die Vorwärmflammen sind bei 22 angedeutet. Die Flämmvorrichtung und das Werkstück werden gegeneinander bewegt. Unmittelbar bevor der zu flammende, fehlerhafte Bereich auf der Oberfläche des Werkstücks W den Punkt A erreicht, wird der aus der Öffnung 19 austretende Sauerstoffstrom auf die Flämmsauerstoffdurchflußmenge aufgedreht. Gleichzeitig damit oder kurz danach wird der Laserstrahl R eingeschaltet, was zur Folge hat, daß der Punkt A sofort die Sauerstoffzündtemperatur erreicht und ein sofortiger Flämmschnitt an der Stelle A beginnt. Der Laserstrahl wird dann quer über die Werkstücksoberfläche bezüglich deren Laufrichtung gerichtet, wodurch die Flämmreaktion auf die gewünschte Breite ausgebreitet wird, indem sie der mittels des Lasers aufgeheizten Strecke folgt. Der Flämmsauerstoffstrom bleibt für die ge-

709846/1 1 U

wünschte Flämmschnittlänge eingeschaltet, während der Laserstrahl abgeschaltet werden kann, sobald der Flämmschnitt die Sollbreite erreicht hat.

Die Relativbewegung kann gestartet werden, nachdem eine Flammreaktion der gewünschten Breite eingeleitet ist, falls kein fliegender Start gewünscht wird. Ein fliegender Start ist ein Start, der stattfindet, während sich das Werkstück und die Flämmvorrichtung mit normaler Flämmgeschwindigkeit gegeneinander bewegen.

Die Fig. 15 und 16 zeigen zwei Ausführungsformen, gemäß denen eine Strecke der gewünschten Länge auf der Werkstücksoberfläche mittels eines Lasers auf die Sauerstoffzündtemperatur aufgeheizt werden kann. Dabei stellt Fig. 15 eine Stirnansicht der Anordnung gemäß Fig. 14 entlang der Linie 2-2 dar; die Flämmeinheit selbst ist nicht veranschaulicht. Der Laser 1 und dessen optisches System werden eingeschaltet und um den Winkel β geschwenkt, so daß der Laserstrahl R eine kontinuierliche Folge von Punkten aufheizt. Dadurch wird auf der metallischen Werkstücksoberfläche zwischen den Punkten A und B eine Strecke auf die Sauerstoffzündtemperatur gebracht. Statt den Laser zu drehen, kann der Strahl R auch auf optische Weise so gerichtet werden, daß er die Strecke zwischen den Punkten A und B überquert.

Eine abgewandelte Lösung zum Aufheizen einer Strecke auf der Werkstücksoberfläche ist in Fig. 16 veranschaulicht.

709848/11U

Dabei wird der Laserstrahl zwischen den Punkten A und B verschoben, indem (mit Hilfe einer nicht veranschaulichten Anordnung) der reflektierende Spiegel M bzw. die Linse 4 entlang der Strecke des gewünschten Flammschnitts in die Stellung M¹ und 4' bewegt werden.

Bei dem im Falle der Fig. 15 und 16 verwendeten Laser handelt es sich vorzugsweise um einen kontinuierlichen Laser. Es kann jedoch auch mit einem gepulsten Laser gearbeitet werden. In diesem Falle wird eine Folge von eng benachbarten Bereichen zwischen den Punkten A und B auf die Sauerstoff zündtemperatur gebracht. Die einzelnen Bereiche oder Flecken fließen zusammen, wenn der Sauerstoff eingeschaltet wird. Es versteht sich, daß andere optische Anordnungen benutzt werden können, um das gleiche Ergebnis zu erreichen; so kann unter anderem auch mit mehr als einem Laser gearbeitet werden.

Fig. 17 zeigt die Form eines Flämmschnitts bei Durchführung eines fliegenden Starts unter Verwendung eines einzigen Lasers und der Anordnung gemäß Fig. 15 oder 16. Der Start des Schnittes beginnt an dem Punkt A und setzt sich zum Punkt B fort, während die Flämmvorrichtung und das Werkstück W gegeneinander bewegt werden. Der Bereich 1O1 stellt den Flämmschnitt dar.

Diese abgewandelte Ausführungsform kann für die gleichen

709846/11U

Zwecke benutzt werden wie die mit einem Hochintensitäts-Sauerstoffstrahl arbeitende Anordnung.Zu solchen Anwendungen gehören unter anderem konventionelle Flammschnitte mit einem flächigen Sauerstoffstrom, d. h. das Flammen der gesamten Oberfläche, die Durchführung von einzelnen gratfreien Fleckflämmschnitten, deren Breite kleiner als, ebenso breit wie oder größer als die Breite der Flämmdüse ist, sowie die Durchführung von Fleckflämmschnitten, indem mehrere Flämmeinheiten zusammenmontiert werden, um für ein Fleckflammen im Gruppendurchgang zu sorgen.

Beispiel

Die zur Durchführung des erläuterten Verfahrens notwendige Laserenergie hängt von Variablen, wie der Flämmgeschwindigkeit, der Stoffzusammensetzung und der Temperatur des Werkstücks, der Sauerstoffdurchflußmenge und -reinheit und dergleichen ab. Im folgenden sei zu Erläuterungszwecken jedoch ein praktisches Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

Es wurde eine Anlage der in Fig. 1 veranschaulichten Art verwendet. Die Breite der Flämmeinheit betrug 15 cm. Sauerstoff wurde in einer Menge von 570 Nm /h durch die Öffnung 19 hindurchgeleitet. Die Durchflußmenge des Brenngases betrug 40 Nm /h. Das Werkstück wurde gegenüber der Flämmeinheit mit 14 m/min bewegt. Die Sauerstoffausbreitdüse hatte einen kreisförmigen Querschnitt und einen Innendurchmesser

709846/11U

von 2 cm. Der Düsenwinkel mit Bezug auf das Werkstück betrug 50°. Durch die Ausbreitdüse wurde Sauerstoff in einer Menge von 850 Nm /h hindurchgeleitet. Bei dem Laser handelte es sich um einen g'epulsten Nd-YAG-Festkörperlaser. Der Durchmesser des aus dem Laser austretenden Strahls betrug 1 cm. Die Strahldivergenz lag bei 5 mrad. Der Laserimpuls hatte eine Breite von 11,0/us. Die Laserenergie betrug 5O Joule. Der Laserfleck hatte einen Durchmesser von 2,0 mm. Der Laserfleck (A) lag 1 cm vor der Projektion (B.) der Mittellinie der Ausbreitdüse. Es wurde eine Linse mit 50 cm Brennweite benutzt, um den Strahl auf einen Fleck zu fokussieren.

Im Betrieb wurde die Flamme der Flämmeinheit gezündet; die Relativbewegung zwischen der Flämmeinheit und dem Werkstück wurde eingeleitet. Ein Signal, mit dem Fleckflammen zu beginnen, startete den durch die Ausbreitdüse hindurchgeleiteten Sauerstoffstrom; als die volle Durchflußmenge erreicht war, wurde der Laser gepulst, wodurch in dem Stahl ein schmelzflüssiger Fleck ausgebildet und die thermochemische Reaktion augenblicklich gestartet wurde. Ungefähr 1/2 s nach dem Laserimpuls wurde der Sauerstoffstrom aus der Ausbreitdüse allmählich zugedreht, so daß eine 3/4 Sekunde nach dem Impuls der Strom durch die Ausbreitdüse Null erreichte. Der Flämmsauerstoffstrom wurde derart aufgedreht, daß mindestens 50 % der vollen Durchflußmenge erreicht wurden, wenn der Laser gepulst wurde. Der Flämmsauerstoff hielt dann den Flamm-

709846/11U

schnitt aufrecht, bis dieser durch ein vorbestimmtes Signal beendet wurde. Die Breite des ausgebildeten Schnittes betrug 15 cm; der Schnitt hatte eine Tiefe von 3 mm. Die Temperatur des Stahls, betrug 2O°C. Es handelte sich um einen niedriggekohlten Stahl. Als Brenngas wurde Erdgas verwendet .

Falls erwünscht, kann das erläuterte Verfahren in der Weise ausgeführt werden, daß die Flamme der Flämmeinheit durch das Schmelzbad gezündet wird, das mittels des Lasers oder der Ausbreitdüse gebildet wird.

Vorstehend wurden verschiedene bevorzugte Ausführungsformen erläutert. Es versteht sich jedoch, daß hinsichtlich der Anordnung der verschiedenen Baugruppen oder der Schrittfolge zahlreiche Abwandlungen getroffen werden können. Beispielsweise ist es möglich, einen kontinuierlichen Laserstrahl zu verwenden, weil die von einem solchen Strahl ausgebildete Linie mit fortschreitender Flämmreaktion ausgeflämmt würde. Es lassen sich auch zwei oder mehr Sauerstoffstrahlen vorsehen, die aus zwei oder mehr Düsen von unterschiedlicher Form und Größe austreten können, um den mittels eines Lasers erzeugten Schmelzfleck auf jede gewünschte Fleckflämmbreite auszubreiten. Falls erforderlich oder erwünscht, lassen sich ferner zwei oder mehr Laserköpfe benutzen. Während die vorstehende Erläuterung auf das thermochemische Flämmen von Eisenmetallkörpern gerichtet ist, versteht es sich ferner, daß

709846/11U

jeder beliebige Metallkörper bearbeitet werden kann, der ein thermochemisches Flämmen unter Verwendung von Sauerstoff zuläßt.

7098A6/11U

Leerseite

Claims (33)

1. Ansprüche

   . Verfahren zum Durchführen eines thermochemischen Schnellstarts auf der Oberfläche eines zu flammenden metallischen Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, daß

   (a) eine vorbestimmte Stelle der Oberfläche, an der die Flämmreaktion beginnen soll, mit einem Laserstrahl in Berührung gebracht wird, um diese Stelle auf ihre Zündtemperatur zu bringen;

   (b) ein Sauerstoffgasstrahl hoher'Intensität an der Stelle der Oberfläche unter Einleiten einer sofortigen Flämmreaktion und Ausbildung eines Schmelzbades an der Stelle zum Auftreffen gebracht wird; und

   (c) ein Sauerstoffstrahl hoher Intensität weiter zum Auftreffen auf dem Schmelzbad gebracht wird, bis sich das Schmelzbad auf eine vorbestimmte Breite ausgedehnt hat,
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstück ein Eisenmetallwerkstück verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausführen eines fliegenden Starts die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der zur Durchführung der

   709846/1 1 1 U

   ORIGINAL INSPBJTED

   Verfahrensschritte benutzten Vorrichtung vor und während der Verfahrensschritte ohne Unterbrechung mit der normalen Flämmgeschwindigkeit erfolgt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der zur Durchführung der Verfahrensschritte verwendeten Vorrichtung mit normaler Flämmgeschwindigkeit eingeleitet wird, wenn der Laserstrahl mit der Stelle in Berührung kommt.
5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Laserstrahl ein einzelner Laserenergieimpuls verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl die Werkstücksoberfläche an einem Punkt berührt, der hinter der Auftreffstelle des Hochintensitäts-Sauerstoffstroms bis zu 10 cm vor dieser Stelle liegt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hinter der Sauerstoffauftreffstelle liegende Auftreffstelle des Laserstrahles durch die Projektion des Innendurchmessers der Düse bestimmt wird, aus welcher der Sauerstoffstrom austritt.

   709846/1 1 1 U
8. 8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochintensitäts-Sauerstoffstrahl gemäß dem Verfahrensschritt (b) von einer solchen Lage aus auf die Stelle gerichtet wird, daß der von der Mittelachse des Strahls und der Bewegungslinie der Werkstücksoberfläche gebildete eingeschlossene Winkel zwischen 30° und 80 beträgt und das Schmelzbad parallel zu der Richtung der Relativbewegung ausgebreitet wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochintensitäts-Sauerstoffstrahl gemäß dem Verfahrensschritt (b) von einer solchen Lage aus auf die Stelle gerichtet wird, daß der von der Mittelachse des Strahls und der Werkstücksoberfläche gebildete eingeschlossene Winkel zwischen 30 und 80 beträgt und das Schmelzbad senkrecht zur Richtung der Relativbewegung ausgebreitet wird.
10. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich

    (d) die Oberfläche geflammt wird, indem ein flächiger Flämmsauerstoffstrom in einem spitzen Winkel zu der Oberfläche auf dem Schmelzbad zum Auftreffen gebracht wird.

    7098A6/11U
11. 11. Verfahren nach Anspruch 1O₁ dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung eines einzelnen gratfreien Fleckflämmschnittes, dessen Breite kleiner als die Breite der Austrittsöffnung für den Flämmsauerstoffstrom ist, die Intensität des flächigen FlämmsauerstoffStroms in Richtung auf die Ränder des Stroms allmählich bis auf die Intensität Null an den Seitenkanten dieser Austrittsöffnung vermindert wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des flächigen Flämmsauerstoffstroms in Richtung auf die Ränder des Stroms allmählich vermindert, jedoch auf einem Intensitätswert von über Null an den Seitenkanten der Öffnung gehalten wird, aus welcher der Flämmsauerstoffstrom austritt, wodurch ein gratfreier Fleckflämmschnitt gebildet wird, dessen Breite gleich der Breite der Austrittsöffnung ist und der keine übermäßig hohen Vorsprünge oder tiefen Ausnehmungen zwischen gleichzeitig und auf die gleiche Weise hergestellten, nebeneinanderliegenden Schnitten entstehen läßt.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung eines herkömmlichen Flämmschnittes mit einem flächigen Sauerstoffstrom gearbeitet wird, der über die gesamte Breite der zugehörigen Austrittsöffnung im wesentlichen gleichförmige Intensität hat.

    709846/1 1 U
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des ausgebildeten Schnittes gleich oder größer als die Breite des anfänglichen Schmelzbades gemacht wird.
15. 15. Vorrichtung zum Einleiten einer thermochemischen Reaktion auf der Oberfläche eines metallischen Werkstückes, gekennzeichnet durch eine Flämmaschine mit einer Flämmeinheit mit Mitteln, die eine Vorwärmflamme und einen Flämmsauerstoffstrom in Richtung auf ein zu flammendes Werkstück austreten lassen, eine auf der Flämmaschine montierte und vor der Flämmeinheit sitzende Sauerstoffausbreitdüse, die an ihrem Austrittsende derart geneigt ist, daß ein Sauerstoffstrahl hoher Intensität unter einem Winkel zur Werkstücksoberfläche in einem vorbestimmten Abstand vor dem Flämmsauerstoffstrom ausgebildet wird, sowie einen auf der Flämmaschine sitzenden Laser mit zugeordnetem optischem System zum Fokussieren eines Laserstrahls auf der Werkstücksoberfläche.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorschubeinrichtung vorgesehen ist, die für eine Relativbewegung zwischen der Flämmaschine und dem Werkstück sorgt.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn-

    7Π98Α6/1 IU

    zeichnet, daß dor Laser ein gepulster Laser ist.
18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet,· daß der Laser ein Festkörperlaser ist.
19. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Nd-YAG-Kristall ist.
20. 20. Vorrichtung zum Einleiten einer thermochemischen Reaktion auf der Oberfläche eines Eisenwerkstückes, gekennzeichnet durch eine Flämmaschine mit mehreren Flämmeinheiten, die eine Vorwärmflamme und einen Flämmsauerstof fstrom auf ein zu flammendes Werkstück richten, mehreren auf der Flämmaschine montierten Sauerstoffausbreitdüsen, von denen jede vor einer Flämmeinheit sitzt und an ihrem Austrittsende derart geneigt ist, daß ein Sauerstoffstrahl hoher Intensität in einem Winkel zu der Werkstücksoberfläche und in vorbestimmtem Abstand vor dem Flämmsauerstoffstrom ausgebildet wird, sowie mit mindestens einem auf der Flämmaschine angeordneten Laser mit zugeordnetem optischem System, mittels dessen mehrere fokussierte Laserflecken auf dem Werkstück ausbildbar sind.
21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System des Lasers mehrere teilweise durchlässige und teilweise reflektierende Einrichtungen

    709846/11U

    aufweist, die in einem Lasergehäuse in vorbestimmten Intervallen derart angeordnet sind, daß die Energie des Laserstrahls aufspaltbar und auf mehrere Flecke auf der Werkstücksoberf.läche verteilbar ist.
22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System des Lasers mehrere Spiegel aufweist, die in einem Lasergehäuse derart in vorbestimmten Intervallen angeordnet sind, daß die Spiegel jeweils selektiv in die Laserstrahlstrecke einbringbar oder aus dieser Strecke herausbringbar sind, um den Strahl auf einen vorgewählten Fleck auf der Werkstücksoberfläche zu richten.
23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Flämmaschine mehrere Laser angeordnet sind, denen ein optisches System zugeordnet ist, mittels dessen mehrere Laserflecke auf dem Werkstück ausbildbar sind. · .
24. 24. Verfahren zum Durchführen eines Sofortflämmschnittes auf der Oberfläche eines metallischen Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, daß

    (a) für eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einem Flämmsauerstoffgasstrom gesorgt wird und gleichzeitig damit

    709846/1114

    (1) zur Ausbildung einer aufgeheizten Strecke von gewünschter Länge quer zur Oberfläche bezüglich deren Bewegungsrichtung mindestens ein Laserstrahl auf der Werkstücksoberfläche zum Auftreffen gebracht wird, wobei die aufgeheizte Strekke dadurch erzeugt wird, daß der Laserstrahl eine Folge von Punkten auf der Oberfläche auf ihre SauerstoffZündtemperatur bringt, und

    (2) zum Einleiten eines Sofortflämmschnittes entlang der Strecke ein Flämmsauerstoffstrom zum Auftreffen auf der aufgeheizten Strecke gebracht wird, und daß

    (b) der Flämmsauerstoffstrom fortgesetzt wird, bis die gewünschte Schnittlänge erzeugt ist.
25. 25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeheizte Strecke erzeugt wird, indem ein kontinuierlicher Laserstrahl quer über der Werkstücksoberfläche gedreht wird.
26. 26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeheizte Strecke ausgebildet wird, indem ein gepulster Laserstrahl quer über die Werkstücksoberfläche gedreht wird.

    709846/11 U
27. 27. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Flämmsauerstoffstrom flächig ausgebildet wird.
28. 28. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeheizte Strecke ausgebildet wird, indem ein reflektierender Spiegel und eine Strahlfokussierlinse quer über die Werkstücksoberfläche bewegt werden.
29. 29. Flämmvorrichtung, gekennzeichnet durch

    (a) eine Flämmdüsenanordnung, mittels deren ein gesteuerter Flämmsauerstoffstrom auf die Oberfläche eines zu flammenden Werkstückes richtbar ist,

    (b) eine Einrichtung, die für eine Relativbewegung zwischen der Düsenanordnung und dem Werkstück sorgt, und

    (c) eine Laseranordnung, mittels deren zur Ausbildung einer aufgeheizten Strecke von gewünschter Länge quer zur Oberfläche bezüglich deren Bewegungsrichtung mindestens ein Laserstrahl auf der Werkstücksoberfläche zum Auftreffen bringbar ist, wobei der Laserstrahl eine Folge von Punkten auf der Oberfläche auf ihre Sauerstoffzündtemperatur erhitzt und die aufgeheizte Strecke nahe der Mittellinienpro-

    7098A6/11U

    jektion des Flämmsauerstoffstroms auf der Werkstücksoberfläche liegt.
30. 30. Vorrichtung nach Anspruch 29i dadurch gekennzeichnet, daß als Laseranordnung ein kontinuierlicher Laser vorgesehen ist.
31. 31. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß als Laseranordnung ein gepulster Laser vorgesehen ist.
32. 32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Drehen des Laserstrahls entlang der Strecke.
33. 33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum optischen Verstellen des Laserstrahls entlang der Strecke.

    709846/11U