ГОРЕЛКА ДЛЯ РУЧНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для поверхностной закалки.
Из существующих способов поверхностной закалки (плазменной, лазерной, электронно-лучевой, ТВЧ и др.) лишь газо-пламенная осуществляется вручную. При этом способе рабочий одновременно следит за разогревом поверхности и подачей на нее воды для быстрого охлаждения. Совмещать две операции сложно, к тому же горелки достаточно громоздкие. Поэтому ручная газопламенная закалка, разработанная еще в 20-ые годы 20 века широкого применения не получила.
Наиболее близкой к изобретению является поверхностная закалка электрической дугой, горящей от неплавящегося электрода. Для закалки дугу перемещают по поверхности изделия. Благодаря высокой концентрации энергии в дуге, поверхностный слой быстро нагревается, но и быстро, за счет отвода тепла в тело детали, остывает. Этим обеспечивается его закалка.
Для поверхностной закалки чаще используются горелки, в которых дуга обжимается в специальном сопле. Такие горелки называются плазмотронами, а закалка - плазменной (МиТОМ, 1983 - №4 - с.2...5. Поверхностное упрочнение сталей плазменной закалкой - Линник В.А. и др.). На фигуре 1 изображена принципиальная схема плазмотрона: 1 - водоохлаждаемый медный электрод с вольфрамовой вставкой (3), соединен с отрицательным полюсом сварочного выпрямителя; 2 - водоохлаждаемое электрически нейтральное сопло; 4 - электрическая (плазменная) дуга; 5 - изделие, соединенное с положительным полюсом сварочного выпрямителя.
Недостатком этого процесса является то, что малейшее изменение скорости перемещения или длины дуги, что неизбежно при выполнении закалки вручную, нарушает баланс подводимой и отводимой тепловой энергии. Как следствие, происходит либо оплавление поверхности, либо появление незакаленных
зон. По этой причине вручную дуговая или плазменная закалка до последнего времени в промышленности не выполняется.
Прототипом изобретения является горелка (фигура 2), в которой зазор между водоохлаждаемым электродом (6) и электрически нейтральным соплом (7) составляет 1,5-2,0 мм, а вылет вольфрамовой вставки на конце электрода за срез сопла составляет 3,0-4,0 мм (Сварочное производство, 1976 - №12 - c.17...19. Д.И.Вайнбойм, В.А.Комаров, Ж.В.Ротламанова - Усовершенствование ручной аргоно-дуговой сварки алюминиевых сплавов током обратной полярности).
Она предназначена для сварки, поэтому ее конструктивные решения направлены на увеличение проплавляющей способности дуги. Но для поверхностной закалки увеличения проплавляющей способности дуги не требуется. Более того это свойство вредно, т.к. приводит к оплавлению закаливаемой поверхности, что обычно не допустимо. Увеличению проплавляющей способности дуги в горелке-прототипе способствует узкий, контролируемый (1,5-2,0 мм) зазор между соплом и электродом, в котором формируется особый газовый поток, обжимающий дугу. Кроме того, вольфрамовая вставка на кончике электрода фокусирует на себе анодное пятно, что обеспечивает концентрацию тепловой энергии по центру столба дуги и тоже увеличивает проплавляющую способность.
Другим недостатком горелки-прототипа является выступающий за срез сопла кончик электрода. При неаккуратном обращении он имеет возможность соприкасаться с изделием и обгорать. При ручном ведении закалки такие инциденты неизбежны. Замена сгоревшего водоохлаждаемого электрода не может быть быстрой, поэтому будут большие потери в объемах производства.
В целом горелка-прототип достаточно дорогостоящая и это еще один ее недостаток. Удорожание связано: а) с высокой ценой на вольфрам, который используется для изготовлений электродной вставки; б) высокой трудоемкостью изготовления составного медно-вольфрамового электрода; в) высокой
трудоемкостью точной подгонки сопла и электрода для создания зазора, фокусирующего газовый поток.
Задачей настоящего изобретения является оптимизация концентрации тепловой энергии в дуге для осуществления поверхностной закалки вручную, повышение надежности горелки в случаях неаккуратного обращения с ней, снижение затрат на ее изготовление и обслуживание.
Поставленная задача решена следующими приемами. Электрод, соединенный с положительным полюсом сварочного выпрямителя, выполнен целиком медным без вольфрамовой вставки, что удешевляет его изготовление. При этом анодное пятно увеличивается до размеров поперечного сечения электрода, что дает равномерное распределение тепловой энергии по сечению дуги и уменьшает вероятность оплавления детали в ходе закалки. Соблюдение зазора 1,5-2,0 мм между соплом и электродом в данном случае не требуется, т.к. не ставится задача обжатия дуги газовым потоком для усиления ее проплавляющей способности. Поэтому вместо специального, точно обработанного, металлического сопла применено стандартное керамическое. В целом это упростило конструкцию горелки и удешевило ее изготовление. Торец электрода убран внутрь сопла или на уровень среза газового сопла. Этим исключается случайное касание электродом изделия, его обгорание и частые перерывы в работе на замену электрода.
Пример. В соответствии с полезной моделью изготовлена грелка (фигура 3) в которой имеется водоохлаждаемый медный электрод (9), кончик которого утоплен внутрь газового сопла (10) из керамики. Вода, подаваемая на охлаждение электрода, кроме того охлаждает корпус горелки (8), что делает горелку более долговечной.
С помощью разработанной горелки освоена поверхностная закалка штампов дугой обратной полярности (+ на электроде) для Челябинского трубопрокатного завода (фигура 4). Срок службы штампов увеличился в ~5 раз.