Способ использования излучения инфракрасных, зеркальных электрических ламп типа ИКЗ
METHOD OF USING INFRARED RADIATION, MIRROR ELECTRIC LAMPS OF IKZ TYPE

Предлагаемое изобретение относится к области металлургической промышленности и машиностроения.
Заявляемый способ предназначен для плавления, сварки, резки и/или термопластического деформирования легкоплавких и среднеплавких материалов, таких как пластмассы, свинец, олово, алюминий и его сплавы, бронзы, латуни и т.д., посредством одной электрической лампы типа ИКЗ.
1. Уровень техники
В настоящее время известны инфракрасные зеркальные электрические лампы накаливания ИКЗ-500 (номинальной мощностью 500 Вт), ИКЗ-250 (номинальной мощностью 250 Вт) и ИКЗ-175 (номинальной мощностью 175 Вт). Эти лампы выпускаются серийно в ОАО «КЭЛЗ» и в ГУП РМ «ЛИСМА». Аналогичные лампы производятся серийно, также в США фирмой «GENERAJL ELECTRIC», например, 150R/IR/CL/E27 (номинальной мощностью 150 Вт), 250R/IR/CL/E27 (номинальной мощностью 250 Вт) и 275R/IR/CL/E27 (номинальной мощностью 275 Вт).
Первым отличием данных ламп ИКЗ является размещенный неподвижно внутри колбы зеркальный отражатель. Он нанесен в виде тонкого зеркального покрытия на стекло колбы внутри и его поверхность имеет в качестве образующей кривую второго порядка, имеющую фокус. Спираль лампы размещена неподвижно в фокусе отражателя, поэтому весь поток излучения таких ламп является направленным параллельно вдоль оси лампы. Диаметр этого потока на расстоянии до 200 мм (до 20 см) приблизительно равен внутреннему максимальному диаметру колбы.
14
Вторым отличием является температура спирали ламп 2350±100°K, при которой спектр излучения охватывает и диапазон видимого света и диапазон ближней инфракрасной области сплошным спектром с длинами волн 0,6-1,9 мкм с максимальной мощностью излучения в интервале 0,9-1,1 мкм, т.е., в спектре максимально ближней инфракрасной (ИК) области. В этом интервале (частота излучения 10 Гц) ИК излучение обладает максимальной энергией и нагревающей способностью. Спектр 0,6-0,75 мкм является диапазоном видимого света и это делает излучение ламп ИКЗ видимым таким образом, что направленное на поверхность излучение создает на поверхности видимое пятно контакта с ней.
Первое и второе отличие, в сумме, образуют третье отличие. Оно заключается в том, что лампы типа ИКЗ создают направленно-фокусированное излучение в ближней инфракрасной области (НИКИ).
2
2
Четвертым отличием ламп ИКЗ является состав стекла колбы ламп. Это стекло оптически прозрачно для указанного выше диапазона длин волн. Как показали наши исследования, затраты электрической энергии ламп на нагрев колбы с цоколем и поглощенной стеклом не превышают 7% от номинальной. Поэтому при электрической мощности лампы, например, ИКЗ-250 в 250 Вт мощность направленно-фокусированного ее излучения в ближней инфракрасной области (НИКИ) составляет 232,5 Вт. При диаметре (∅) колбы этой лампы 127 мм = 12,7 см, площадь круглого прозрачного окна колбы составляет 126,6 см. Плотность потока излучения (ППИ) вблизи колбы (на расстоянии 5-10 мм от нее) составляет 232,5/126,6=1,8 Вт/см.
2
2
Таким же образом получены данные по ППИ для ламп ИКЗ-175 (мощность излучения на выходе 162,7 Вт, ∅ 112 мм, ППИ=1,65 Вт/см) и по ППИ для ламп ИКЗ-500 (мощность 500 Вт, (мощность излучения на выходе 465 Вт, ∅ 134 мм, ППИ=3,3 Вт/см). Видно, что максимальную плотность излучает ИКЗ-500.
MAX
ППИ
2
Одновременно с определением ППИ от разных ламп ИКЗ измерялись и максимальные температуры (t, °С) нагрева единичной пластины ∅ 200 мм, толщиной 3 мм из стали 12Х18Н10Т этими лампами (излучениями известной плотности). Зазор между пластиной и лампой задавался одинаковым - 20 мм. После определения температур вычислялись их значения на одну единицу ППИ, т.е. какое значение температуры (°С) t дает 1 единица ППИ (Вт/см). Были получены следующие данные (ниже, в таблице 1).
Результаты исследований показывают, что одна единица плотности потока излучения (ППИ) лампы ИКЗ-250 обладает нагревающей способностью на 25% большей, чем ИКЗ-127 или ИКЗ-500. Это показывает, что последние (лампы по 127 и 500 Вт) существенно больше рассеивают поток НИКИ и для практических задач нагрева наиболее эффективны лампы ИКЗ-250.
1.1. Излучение этих ламп широко применяется для обогрева животноводческих и птицеводческих помещений, а также в инкубаторах. В помещениях обогрев происходит в результате нагрева воздуха, трехатомные молекулы воды, озона и углекислого газа которого поглощают энергию ИК излучения.
2
3
2
Недостатками такого нагрева является избыточный расход электроэнергии на нагрев воздуха. Это обусловлено тем, что каждая лампа излучает энергию в сплошном спектре от 0,6 до 1,9 мкм, а поглощение ее парами HO, озоном O и газом CO осуществляется по отдельным линиям в этом спектре. Для воды это 0,7; 1,2; 1,5; 1,9 мкм, а для углекислого газа 1,2; 1,5; 1,9 мкм. Энергия ИК излучения между этими линиями спектров не поглощается составляющими воздуха, поэтому не нагревает его и рассеивается одноатомными и двухатомными молекулами воздуха, т.е. тратится впустую.
1.2. Известен способ использования излучения инфракрасных зеркальных электрических ламп типа ИКЗ для нагрева тонкостенных цилиндрических оболочек изнутри. В этом способе НИКИ от ламп ИКЗ направляют по внутреннему радиусу оболочки на внутреннюю ее поверхность, лампы размешают внутри оболочки неподвижно с небольшим зазором (5-10 мм) относительно внутренней ее поверхности [1-4]. Таким способом оболочки, в том числе и вращающиеся, нагреваются до 250°C. Такая температура требуется для технологии сушки влажных длинномерных материалов в производствах текстиля и бумаги. Нагрев лампами ИЗК посредством НИКИ существенно экономичнее нагрева паром, тэнами или газовыми горелками. В процессах нагрева непрерывно контролируют температуру наружной поверхности оболочек и посредством, например, тиристорного регулятора «напряжение-температура» изменяют напряжение питания ламп, поддерживая заданную температуру.
2
2
Недостатком такого способа использования ламп ИКЗ является невозможность плавления и резки легкоплавких материалов из-за сравнительно невысокой создаваемой температуры (максимально 250-300°C) и чрезмерно большого по площади пятна контакта НИКИ с нагреваемой поверхностью. Например, наименьшая по размерам лампа ИКЗ-175 создает пятно на облучаемой поверхности равное по диаметру ∅ колбы, т.е. 112 мм. Большое пятно излучения на поверхности уменьшает плотность излучения на этой поверхности (Вт/см). Выше показано, что максимальную плотность излучения создает лампа ИКЗ-500, которая составляет 3,3 Вт/см.
1.3. Известен аналогичный способ использования излучения ламп ИКЗ, в котором НИКИ от ламп направляют по нормали к наружной поверхности тонкостенных цилиндрических оболочек для нагрева внутренней [5]. Данное техническое решение обладает теми же преимуществами, что и аналог выше (п. 1.2) и такими же недостатками.
1.4. Известны аналогичные способы использования ламп ИКЗ, в котором НИКИ от ламп направляют перпендикулярно на плоское, горизонтально расположенное, днище неподвижной емкости [6-9]. Преимущества и недостатки этих способов аналогичны показанным в п. 1.2.
1.5. Известны способы использования ламп ИКЗ для нагрева заготовок из теста (в том числе в формах) для выпечки хлебобулочных изделий [10,11]. В этих способах НИКИ от ламп направляют непосредственно на выпекаемые заготовки из теста или нагревают воздух внутри туннеля, охватывающего заготовки. НИКИ от ламп легко обеспечивает нужную температуру 250°C для выпечки хлебобулочных изделий. Эти изделия выпекаются, при этом обеспечивается высокая экономия энергии, по сравнению с другими способами нагрева для выпечки.
2
Недостатком такого способа использования ламп ИКЗ является невозможность достижения более высоких температур, например, для плавления и резки легкоплавких материалов из-за сравнительно невысокой плотности (максимально 3,3 Вт/см) излучения (из-за чрезмерно большой площади пятна контакта НИКИ с нагреваемой поверхностью).
2
1.6. Известен способ использования электромагнитного излучения в видимом и инфракрасном спектре, в котором это излучение уплотняют в тонкий луч, с высокой плотностью НИКИ более 1000 Вт/см. Такое уплотнение обеспечивают квантовыми генераторами - лазерами (твердотельными, газовыми и лазерами на красителях).
Такая плотность излучения (плотности потока квантов) позволяет обеспечивать плавление и резку легкоплавких (и среднеплавких) материалов непосредственно посредством НИКИ. Недостатками такого способа использования НИКИ являются высокая сложность технологии его получения, высокая энергоемкость и невозможность управлять температурой нагрева. Первый недостаток обусловлен тем, что для получения лазерного луча необходимы источник энергии (механизм «накачки»), рабочее тело, система зеркал «оптический резонатор» и источник электрической энергии. Для сравнения: для создания НИКИ от ламп ИКЗ нужна лампа и источник электроэнергии (сетевое питание). Второй недостаток обусловлен существенно большим расходом электроэнергии на работу лазера в процессах плавления, резки или сварки, с номинальной мощностью от 20 до 150 кВт. Для сравнения: максимальную номинальную мощность из ламп серии ИКЗ имеет ИКЗ-500 - 500 Вт или 0,5 кВт. Третий недостаток обусловлен тем, что в процессе плавления, сварки или резки лазерным лучом измерить температуру в точке взаимодействия луча с поверхностью возможно. При этом невозможно повлиять на характеристики луча (потока фотонов), поскольку любые изменения в настройке лазерного луча приводят к необходимости менять настройки одновременно в источнике энергии (в механизме «накачки»), в рабочем теле, в системе зеркал (в «оптическом резонаторе»), а это приводит к изменению настройки лазера, в первую очередь частоты (длины волны) излучения и размеров его поперечного сечения.
1.7. Из геометрической оптики известны способы визуального изменения наблюдаемых объектов за счет изменения их наблюдаемых размеров посредством преобразования отраженного от них (или излучаемого ними - для телескопов) потока электромагнитного излучения в диапазоне видимого света с помощью линз. На этих способах основана работа биноклей, телескопов и микроскопов. В этих технических решениях используют от одной и более линз в объективе.
Данные физические явления - фокусировка и изменение размеров (мнимые или воспринимаемые размеры) объектов не являются истинными.
При этом общеизвестно также, что излучение в области видимого света не является максимально нагревающим при его взаимодействии с облучаемой поверхностью. Для диапазона длин волн видимого света (белый свет как совокупность длин волн от фиолетового 0,3-0,4 мкм до красного 0,6-0,7 мкм) нагревающая его способность проявляется только, если поверхность, на которую оно направлено, имеет черный цвет.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является техническое решение, в котором инфракрасное излучение направляют на обрабатываемую поверхность, пропуская луч сквозь, по крайней мере, одну двояковыпуклую линзу для формирования сужения его вдоль оси лампы с образованием на поверхности обрабатываемой детали пятна контакта с нагревом ее поверхности до заданной температуры [12].
Недостатками данного технического решения являются достигаемые при использовании рассматриваемого способа малая плотности луча инфракрасного излучения на поверхности обрабатываемой детали, невозможность контроля и управления температурой в пятне нагрева и невозможность изменения его размера в широком диапазоне. Эти недостатки обусловлены использованием одной двояковыпуклой линзы, отсутствием операций непрерывного измерения температуры в пятне контакта и невозможностью перемещать (с фиксацией) корпуса устройства вдоль оси луча. Еще одним недостатком являются его малые (недостаточные) функциональные возможности.
Стекло ламп ИКЗ является оптически прозрачным для ИК излучения в диапазоне длин волн 0,7-1,9 мкм. Пропускаемая направленно-фокусированная лучевая энергия в ближней ИК области тратится на нагрев нагреваемой детали (95%) и лишь 5% излучения превращается в видимый света, а также затрачивается на нагрев спирали и колбы самой лампы.
2
2
Это, несмотря на возможность фокусировки плотности излучения, не позволяет увеличить плотность излучения в ближней инфракрасной области на облучаемой поверхности от 100-200 Вт/см до 800-1000 Вт/см для плавки, резки, сварки и термопластического деформирования легкоплавких и среднеплавких материалов.
Отдельно известны средства непрерывного бесконтактного измерения температуры (пирометры), например, фирмы «Optris» (Германия) – Optris СТ15, которые обеспечивают высокую точность измерения температуры ±1°C.
1.8. Известны также способы использования излучения инфракрасных зеркальных ламп типа ИКЗ для нагрева снаружи днищ цилиндрических емкостей, установленных вертикально. В этих способах лампу (лампы) устанавливают вертикально внутри цилиндрического тонкостенного корпуса, коаксиально ему, а излучение направляют перпендикулярно наружной круглой поверхности днища емкости, которым емкость установлена на цилиндрическом корпусе. Сам цилиндр выполняют из алюминия или алюминиевого сплава, а его внутреннюю поверхность перед установкой полируют.
Алюминий или алюминиевые сплавы хорошо отражают спектр НИКИ и внутренняя поверхность цилиндрического корпуса отражает боковое излучение ламп в направлении основного потока излучения. За счет этого незначительно, но увеличивается на 5-7% плотность общего потока НИКИ из цилиндрического корпуса.
2
Тем не менее эта общая плотность (Вт/см) потока НИКИ недостаточна для получения температур выше 450°C из-за очень большой площади пятна контакта излучения на поверхности днища. Т.е. недостатки данных способов аналогичны вышеизложенным.
Таким образом, отдельно известны лампы ИКЗ, создающие НИКИ; отдельно известны электролампы и светодиоды создающие излучение видимого и инфракрасного спектра; отдельно известны выпуклые и вогнутые линзы, установленные перпендикулярно потоку (отраженного или создаваемого) излучения с возможностью изменения фокусного расстояния; отдельно известно использование линз для фокусировки излучения видимого света и отдельно известны способы бесконтактного измерения температуры поверхностей, в том числе тех, на которые направлено НИКИ от ламп ИКЗ.
2. Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому, в качестве изобретения, является способ тепловой обработки детали с использованием инфракрасного излучения, включающий направление инфракрасного излучения на обрабатываемую поверхность с пропусканием его сквозь, по крайней мере, одну двояковыпуклую линзу для его сужения вдоль оси лампы с формированием на поверхности обрабатываемой детали пятна контакта, обеспечивающего заданную температуру ее нагрева [13].
Основной задачей предлагаемого изобретения (по сравнению с прототипом) можно считать повышение плотности луча инфракрасного излучения на поверхности обрабатываемой детали, возможность контроля и управления температурой в пятне нагрева без изменения его размера.
3. Причины, препятствующие получению технических результатов
3.1. Известные способы использования излучения инфракрасных, зеркальных электрических ламп типа ИКЗ позволяют формировать сужающийся от лампы к принимаемой поверхности луч инфракрасного излучения СНИКИ. Однако с помощью них невозможно существенно увеличивать плотность ИК излучения и превратить пятно его контакта с поверхностью в точку.
3.2. В известных способах отсутствует возможность осуществления операции уменьшения размеров пятна (до точки) контакта луча НИКИ с поверхностью до требуемой температуры поверхности в этом контакте. В способах отсутствует операция измерения температуры в процессе уменьшении этого пятна контакта.
3.3. В известных способах отсутствует возможность изменения температуры поверхности внутри пятна при минимальном размере пятна излучения НИКИ на поверхности.
4. Признаки прототипа, совпадающие с заявляемым предлагаемым изобретением
Способ тепловой обработки детали с использованием инфракрасного излучения, включающий направление инфракрасного излучения на обрабатываемую поверхность с пропусканием его сквозь, по крайней мере, одну двояковыпуклую линзу для его сужения вдоль оси лампы с формированием на поверхности обрабатываемой детали пятна контакта, обеспечивающего заданную температуру ее нагрева.
5. Изобретение обеспечивает достижение следующих технических результатов
5.1. Повышение плотности луча инфракрасного излучения на поверхности обрабатываемой детали.
5.2. Обеспечение контроля и управления температурой в пятне нагрева без изменения его размера.
5.3. Расширение функциональных возможностей способа за счет перемещения детали относительно неподвижного луча или луча относительно неподвижной детали.
6. Эти технические результаты в заявляемом способе тепловой обработки детали с использованием инфракрасного излучения, включающем направление инфракрасного излучения на обрабатываемую поверхность с пропусканием его сквозь, по крайней мере, одну двояковыпуклую линзу для его сужения вдоль оси лампы с формированием на поверхности обрабатываемой детали пятна контакта, обеспечивающего заданную температуру ее нагрева достигаются тем, что упомянутое пятно контакта формируют посредством зеркальной инфракрасной электрической лампы накаливания, которую устанавливают неподвижно коаксиально в цилиндрическом корпусе, и двояковыпуклой линзы, выполненной из того же стекла, что и стекло колбы лампы, и установленной в объективе, закрепленном в цилиндрическом корпусе, при этом фиксируют упомянутый корпус на заданной высоте от обрабатываемой поверхности и вращают объектив с линзой относительно оси корпуса до получения заданного диаметра пятна контакта луча инфракрасного излучения в ближней инфракрасной области на поверхности обрабатываемой детали с фиксацией объектива в заданном положении, причем непрерывно бесконтактно регистрируют температуру поверхности детали в зоне пятна контакта, а затем при постоянном диаметре пятна контакта регулируют упомянутую температуру за счет изменения напряжения питания зеркальной электрической лампы до величины, необходимой для тепловой обработки детали, при этом тепловую обработку осуществляют при перемещении детали относительно образованного лучом пятна контакта или при перемещении упомянутого пятна контакта по неподвижной поверхности детали за счет горизонтального перемещения упомянутого цилиндрического корпуса.
7. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами:
на фиг. 1 показана схема устройства, реализующего способ для случая, когда лампу с объективом размещают неподвижно, перемещая принимающую излучение поверхность относительно пятна контакта;
на фиг. 2 показана схема устройства, реализующего способ для случая, когда перемещают пятно контакта по неподвижной принимающей излучение поверхности;
на фиг. 3 показана схема конструкции объектива как вариант, в котором число линз больше чем одна;
на фиг. 4 показана схема применения заявляемого способа для резки пластины из пластмассы, например из капролона;
на фиг. 5 показана схема применения заявляемого способа для сварки труб из алюминиевого сплава, например из дюралюминия Д16;
на фиг. 6 показана схема применения заявляемого способа для гибки полосы из латуни, например Л59.
7.1. Устройство, реализующее заявляемый способ, состоит (схематично) из следующих основных элементов (фиг. 1, 2, 3):
1 - электрическая лампа накаливания (инфракрасная, зеркальная) типа ИКЗ (ИКЗ-175, ИКЗ-250 или ИКЗ-500). Эта лампа 1 содержит зеркальный отражатель 2 внутри стеклянной колбы лампы 1, нанесенный на ее внутреннюю поверхность. Лампа ИКЗ 1 с отражателем 2 установлена в электрическом патроне 3, который неподвижно прикреплен посередине к плоскому круглому днищу (на фиг. 1, 2 не обозначено) внутри цилиндрического корпуса 4. Лампа 1 с отражателем 2 вместе с патроном 3 неподвижно размещена в цилиндрическом тонкостенном корпусе 4, охватывающем лампу 1 внутри коаксиально с равномерным зазором (фиг. 1, 2, 4, 5, 6).
На наружной цилиндрической поверхности корпуса 4 со стороны, противоположной его днищу, изготовлена резьба, на длину, например 50, мм от торца (на фиг. 2 обозначено L). На эту резьбу навинчивают внутреннюю резьбу тонкостенного цилиндра объектива 5, который включает в себя (типовой вариант) зажимное кольцо 6, в котором неподвижно установлена, по крайней мере, одна двояковыпуклая линза 7 и зажата зажимным (прижимным или фиксирующим) винтом 21. Аналогичным винтом 21 цилиндр объектива 5 фиксируется на цилиндрическом корпусе 4 после нужного перемещения объектива 5 по корпусу 4. Аналогичными зажимами (фиксаторами, например винтами, шурупами или саморезами) 21 патрон 3 фиксируется на плоском днище внутри корпуса 4 (фиг. 1, 2, 3).
Объектив 5 может иметь больше чем одну линзу 7, например двояковыпуклую линзу 7.1, двояковогнутую линзу 7.2, линзу выпуклую с одной стороны и т.д. (фиг. 3).
Одна или более линз в объективе 5 выполнены (предварительно изготовлены) из того же стекла, что и колба ламп ИКЗ.
В настоящее время известны разные по составу стекла, которые оптически прозрачны для отдельных спектров ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучений. В то же время производители ламп ИКЗ разрабатывают и используют в производстве собственные химические составы стекол. Эти составы являются ноу-хау каждого конкретного производства. Цель этих составов - добиться максимальной оптической прозрачности стекол для излучения в спектре 0,6-1,9 мкм. При максимальной оптической прозрачности стекла в этой полосе спектра максимальная энергия излучения проходит сквозь стекло без потерь на нагрев самого стекла и лампы обладают максимальной нагревающей способностью. При этом для изготовления линз нужны отходы стекла, которые образуются при изготовлении ламп и которых на ламповых заводах образуются тонны.
Кроме этого перед изготовлением колб ламп стекло варят в общей массе перед разливкой по формам и изготавливать линзы перед шлифовкой и полировкой можно заливкой в формы.
На наружной плоской круглой поверхности корпуса 4 неподвижно закреплен (например, приклеен) регулятор электрического напряжения 12 с индикатором этого напряжения 13 (например, потенциометр или ЛАТР с индикатором). Ручка управления напряжением обозначена поз. 14. Вход регулятора 12 подключают к переменному напряжению промышленной сети ~U, например 220 В, а выход - к электрическим контактам патрона 3 (фиг. 1, 2).
При подаче номинального напряжения 220 В на лампу 1 ее отражателем 2 формируют выходящий из лампы поток НИКИ 8 (фиг. 1, 2), а с помощью оптической настройки объективом 5 расстоянием (изменяя L) от линзы 7 до колбы лампы 1 этот поток превращают в сужающийся СНИКИ 9 от объектива 5 к облучаемой поверхности детали 10 из легкоплавкого или среднеплавкого материала. При этом на облучаемой поверхности образуется видимое круглое пятно 11 диаметром D (фиг. 1, 2, 3), которое может иметь размеры видимой точки с диаметром 1 мм (фиг. 1, 2).
Далее по тексту, идентичные элементы устройства (1-14) будут для краткости именоваться «источник СНИКИ» (источником сужающегося направленно-фокусированного излучения в ближней инфракрасной области).
7.1. Заявляемый способ реализуется следующим образом (фиг. 1, 2, 3).
Для первого варианта реализации способа источник СНИКИ прочно прикреплен (например, сваркой) вертикально к горизонтальной балке 15 (например, стальной пруток ∅ 10 мм), которая жестко присоединена к ползуну 17 с фиксатором 21 с возможностью перемещений с последующей фиксацией по вертикальной направляющей 16. Источник СНИКИ прикреплен вертикально к балке 15 так, что СНИКИ направлено вертикально вниз. Направляющая (например, стальной круг ∅ 40 мм) 16 прочно присоединена к горизонтальному основанию (например, стальная пластина 150×150×40 мм) 18 (например, приварена). Основание 18 располагают горизонтально на горизонтальном фундаменте или на неподвижной горизонтальной поверхности (на фигурах не обозначены). При таком расположении основания 18 направляющая 16 располагается вертикально, балка 15 - горизонтально, источник СНИКИ - вертикально, а СНИКИ 9 направлено вертикально вниз.
На основании 18 посредством фиксатора 21 закрепляют бесконтактный измеритель температуры (например, пирометр Optris СТ15) 19. Пирометр 19 закрепляют на основании 18 с возможностью угловых (в сфере) перемещений с последующей фиксацией фиксатором 21. На основании 18 неподвижно устанавливают (например, приклеивают), также, измерительный блок 20 пирометра 19. Пирометр 19 и измерительный блок 20 связаны электрически (на фигурах эта связь и индикатор температуры не обозначены, а направление измерения для пирометра 19 на фигуре 1 показано двухсторонними стрелками), фиг. 1.
Для второго варианта реализации способа источник СНИКИ прочно прикреплен (например, сваркой) под углом 90° к одному концу прямой балки 15 (например, к стальному прутку ∅ 10 мм), а другой конец балки 15 снабжен рукояткой 22, удобной для охвата ее правой или левой рукой (фиг. 2).
К балке 15 посредством цилиндрического шарнира (на фигурах не обозначен) с фиксатором 21, между источником СНИКИ и рукояткой 22, перпендикулярно балке 15, присоединена (подвешена) прямоугольная пластина (например, из стали размером 150×30×5 мм) 23. На свободном конце пластины 23 так же, как и в первом варианте, закреплены пирометр 19 и измерительный блок 20. Направление измерения температуры для пирометра 19 на фигуре 1 показано двухсторонними стрелками 24, фиг. 2.
В комплект поставки измерительной системы «пирометр - измерительный блок» входит лазерная указка или «лазерный прицел», с помощью которых оптическую ось (видимую, поз. 24 на фиг. 2) пирометра наводят в точку измерения температуры на поверхности.
Перед реализацией заявляемого способа по обоим вариантам устройства для его осуществления подготавливают к работе, настраивают нужные режимы. Вариант 1 (фиг. 1). Источник СНИКИ подключают к источнику питания (например, к однофазной промышленной сети ~U переменного тока 220 В). Регулятором напряжения 12, посредством ручки 14, визуально наблюдая показания индикатора 13, устанавливают номинальное напряжение 220 В. Лампа 1 (например, ИКЗ-250) излучает НИКИ 8, а объектив 5, с помощью линзы 7 или линз 7.1, 7.2, 7.3, превращает его в СНИКИ. Пятно 11 СНИКИ визуально наблюдается на поверхности (например, на неподвижной, свободно уложенной горизонтально пластине 10 из капролона), нагреваемой (облучаемой СНИКИ). Осевая линия пирометра 19 направляется в середину этого пятна 11, а измерительный блок 20 пирометра 19 регистрирует температуру поверхности пластины 10 в пятне 11 контакта СНИКИ с пластиной 10.
Источник СНИКИ вместе с балкой 15 и с ползуном 17 по направляющей 16 устанавливают на заданной (на нужной или на удобной для работы) высоте от пластины 10 и ползун 17 фиксируется стопором 21. При перемещениях (при установке источника СНИКИ) положение пятна 11 на пластине 10 не изменяется, но меняются его размеры (площадь круга) и поэтому изменяется температура, которая регистрируется непрерывно пирометром 19 с измерительным блоком 20.
После установки источника СНИКИ на нужной высоте от пластины 11 освобождают стопор 21 объектива 5 и, вращая объектив 5 по резьбе, уменьшают пятно контакта 11 на поверхности пластины 10 до минимального (до точки с размером, с диаметром, 1 мм), одновременно фиксируя изменения температуры пятна 11 на поверхности пластины 10.
2
2
2
2
Например, при диаметре D1 пятна 11 в 1 мм (0,1 см) его площадь составляет π*D1/4 или 3,14*0,01/4=0,00787 см. Мощность потока СНИКИ, прошедшего сквозь одну линзу 7, уменьшается не более чем на 7% от номинального 232,5 Вт для лампы ИКЗ-250 (показано в начале текста, абзац начинается со слов «Четвертым отличием ламп…»). Плотность потока СНИКИ для данного случая (на выходе из линзы 7) составляет 232,5*0,93=216 Вт. Именно эта мощность переносится посредством СНИКИ 9, сужающегося от линзы 7 к пятну 11 на пластине 10. Таким образом, плотность СНИКИ в пятне 11 на пластине 10 составляет 216 Вт/0,00787 см или 27446 Вт/см. Это очень большая плотность излучения.
2
2
В таблице 1 (представлена выше), в последней строке приведены сведения о температуре, которую создает 1 Вт/см на поверхности при облучении ее посредством НИКИ. Для ламп ИКЗ-250 это 160°C/(Вт*см). Поэтому температура на пластине 10 в пятне 11 контакта для данного случая будет составлять 160*27446=4391360°C, которая является недопустимо высокой для большинства конструкционных материалов. Так, температура плавления капролона (пластик) - 230°C, дюралюминия - 650-700°C, латуни - 950-1000°C, бронзы - 1100°C.
Регулятором напряжения 12 ручкой управления 14 уменьшают напряжение питания лампы 1 (при этом уменьшается ток в спирали, ее температура и мощность излучения НИКИ, а последняя уменьшается пропорционально 4-й степени температуры), устанавливая нужную для обработки пластины 10 по показаниям измерительного блока 20 пирометра 19. Например, для резки пластины 10 из капролона (фиг. 1) достаточна температура в 300°C.
Настроив устройство для реализации способа таким образом, что ∅ пятна 11 на пластине 10 составляет 1 мм, а температура на поверхности этой пластины в этом пятне составляет 300°C и, зафиксировав положения источника СНИКИ и пирометра 19, осуществляется лучевая резка пластины 10. Для этого пластину (лист, полосу или конкретную деталь) 11 из капролона перемещают в нужном направлении при неподвижном источнике СНИКИ. Неподвижно все устройство для реализации способа и операция резки может повторяться многократно при одной и той же установке и параметрах настройки.
Для резки (для лучевой термической обработки) других конструкционных материалов объективом 5 изменяют размеры пятна 11 на обрабатываемой поверхности детали (например, пластины) 10, а ручкой управления 14 регулятора напряжения 12 изменяют величину напряжения и одновременно регистрируют температуру (как показано выше) на измерительном блоке 20 пирометра 19 устанавливая нужную (заданную).
Вариант 2 (фиг. 1 и 2). Настройка устройства для реализации заявляемого способа осуществляется аналогично вышеизложенному Варианту 1. Отличие заключается в том, что эту настройку необходимо осуществлять одной рукой (свободной), поскольку другая занята удержанием ручки 22, присоединенной к источнику СНИКИ (фиг. 2).
В то же время, при ручной лучевой термической обработке детали 10 можно осуществлять более сложные движения рукой, например, вырезать небольшие отверстия в пластине (в листе, в кубе, в цилиндре и т.д.) и в более сложных по конфигурации деталях.
Например, в пластине из бронзы нужно изготовить круглое отверстие ∅ 4 мм для последующей его обработки. Температура плавления бронзы 110°C. С помощью объектива 5 устанавливают пятно контакта 11 СНИКИ на поверхности пластины 10 диаметром D2 (фиг. 2) 3 мм, ручкой управления 14 регулятора напряжения 12 изменяют напряжение питания лампы 1, измеряя температуру в пятне 11 одновременно и устанавливают ее в 1800°C. При этой температуре (превышающей температуру плавления бронзы) процесс проплавления отверстия происходит быстрее. Вручную направляют пятно 11 в точку изготовления отверстия и проплавляют его. СНИКИ является сужающимся и, в процессе изготовления отверстия ∅ 4 мм, его верхняя часть будет иметь ∅ 4 мм, за счет оплавления краев, а нижняя часть - будет иметь ∅ 3 мм.
7.2. Заявляемый способ применяется следующим образом (варианты на фиг. 4, 5, 6).
Для лучевой термической резки листа (полосы, пластины и т.д.) из металла или пластмассы (фиг. 4) устройство с источником СНИКИ настраивают по первому варианту, как показано выше (п. 7.1, начало текста «Вариант 1»). Объективом 5 (фиг. 1) фокусируют СНИКИ в пятно 11 диаметром d1≈1 мм на поверхности листа 25 (фиг. 4), который предварительно кладут горизонтально, с возможностью перемещений в горизонтальных направлениях, на две одинаковые по высоте неподвижные тумбы 26. Тумбы устанавливают так, что они параллельны друг другу и расположены с зазором относительно друг друга. Лист 25 укладывают так, что ось СНИКИ 9 направлена в зазор между тумбами 26. Непрерывно измеряя температуру в пятне 11 ручкой управления 14 регулятора напряжения 12 (фиг. 1) изменяют эту температуру до заданной (на 15-20% больше температуры плавления материала). При плавлении материала 25 в пятне образуется отверстие. Перемещая материал 25 в горизонтальном направлении осуществляют разрезание листа с образованием линии резки.
Для лучевой термической сварки труб 27 и 28, например стальных (сталь 12Х18Н10Т, максимальная температура плавления 1400°C) (фиг. 5), устройство с источником СНИКИ настраивают по второму варианту, как показано выше (п. 7.1, начало текста «Вариант 2»). Предварительно, на свариваемых концах труб 27 и 28 изготавливают фаски 29 суммарной шириной h (фиг. 5). При толщине труб, например, 3 мм фаски изготавливают так, что h=6-8 мм. Например, h=7 мм. Для сварки приготовляют присадочный пруток 30 из того же материала, что и трубы 27 и 28 с диаметром d2 (фиг. 5), при этом . Для случая, когда h=7 мм d2=3,5 мм. В процессе настройки источника СНИКИ по второму варианту (фиг. 2) пятно контакта d3 СНИКИ 9 задают на внутренней поверхности фасок 29 соединенных встык труб 27 и 28 так, что d3=d2=3,5 мм. Задают (устанавливают) температуру пятна на 20% выше температуры плавления (1400°C), т.е. 1700°C и в течение 5-10 сек прогревают стык труб 27 и 28 (поверхность фасок 29) в области пятна. Затем в область нагрева между фасками помещают конец прутка 30 и пятно СНИКИ 9 взаимодействует с материалом на конце прутка 30, расплавляя его. При этом расплав заполняет полость между нагретыми фасками 29 и образует сварочный шов 31 (фиг. 5).
При лучевой термической обработке для гибки, например, листа (пластины, полосы, прутка и т.д.) из дюралюминия (фиг. 6), реализуют второй вариант настройки устройства для реализации способа (фиг. 2).
Особенностью операции гибки хрупких материалов (дюралюминий) является то обстоятельство, что ее выполнением материал отжигают при температуре 350-400°C для повышения его пластических свойств.
Например, нужно от листа 32 (фиг. 6) отогнуть его часть 32.1 под углом 90° 32.2.
Для этого лист 32 кладут горизонтально на неподвижную вертикально установленную опору 33, имеющую взаимно перпендикулярные горизонтальную и вертикальную вниз поверхности. Лист 32 имеет толщину b=6 мм. Вручную (по варианту 2) СНИКИ 9 направляют на лист 32 над линией схождения горизонтальной и вертикальной поверхностей и на поверхности листа 32 фокусируют пятно 11 СНИКИ диаметром d4≈b, т.е. d4≈6 мм. После этого устанавливают температуру в пятне 11 400°C и вручную прогревают лист до этой температуры вдоль линии схождения перпендикулярных плоскостей (поверхностей) опоры 33. При этом лист 32 вдоль этой линии отжигается (становится пластичным) и его горизонтальный участок 32.1 вручную, нажимом вниз, сгибается под прямым углом 90°, превращаясь в вертикальный участок 32.2 (фиг. 6).
7.3. Заявляемые технические результаты достигаются следующим образом.
7.3.1. Сужающийся от лампы к принимаемой поверхности луч (диаметром до 1 мм) инфракрасного излучения в ближней инфракрасной области СНИКИ и максимальное повышение плотности этого излучения на поверхности обеспечивается установкой на цилиндрическом корпусе 4 (фиг. 1, 2, 3) коаксиально подвижного в осевом направлении объектива 5 с двояковыпуклой линзой 7 (или нескольких линз 7.1, 7.2, 7.3, одна из которых двояковыпуклая 7.1, фиг. 3), которая выполнена из того же стекла, что и колба лампы 1. Данное обстоятельство позволяет повышать плотность излучения не только видимого излучения лампы 1 (длины волн излучения 0,6-0,75 мкм в спектре излучения лампы 0,6-1,9 мкм), которое составляет по мощности 5% от общей мощности излучения лампы 1, а именно НИКИ 8, превращая его в СНИКИ 9 (фиг. 1, 2, 3).
7.3.2. Уменьшение пятна контакта луча инфракрасного излучения в ближней инфракрасной области СНИКИ на принимаемой поверхности в соответствии с требуемой температурой нагрева поверхности в области контакта контролируется непрерывным бесконтактным измерением (контролем) температуры посредством пирометра 19 с измерительным блоком 20 (фиг. 1, 2).
7.3.3. Температуры в пятне контакта луча с принимаемой поверхностью, при неизменном размере пятна луча СНИКИ на поверхности изменяются посредством регулятора напряжения 12 с индикатором 13 и с ручкой управления 14, а температуры регистрируются непрерывно, как показано выше в п. 7.3.2.
7.4. Вышеперечисленные технические результаты заявляемого способа обеспечивают дополнительные, в том числе:
7.4.1. Существенное расширение функциональных возможностей за счет лучевой термической обработки материалов и деталей: для резки, для сварки, для гибки, для изготовления отверстий и т.д.
7.4.2. Экологическая чистота лучевой термической обработки материалов и деталей, поскольку в процессе такой обработки не выделяются вредные вещества.
7.4.3. Существенно снижается энергоемкость термической обработки материалов и деталей, поскольку электрическая номинальная мощность ламп типа ИКЗ не превышает 500 Вт (ИКЗ-175, ИКЗ-250, ИКЗ-500).
7.4.4. Существенно упрощаются операции при такой лучевой термической обработке материалов и деталей. Для нее нужно лишь два устройства. Одно, выполненное в соответствии с фиг. 1, стационарное, и второе, выполненное в соответствии с фиг. 2, переносное, ручное.
Источники информации
1. RU №2269730, 2006.
2. RU №2302593, 2007.
3. RU №2287121, 2007.
4. RU №2431793, 2011.
5. RU №2465526, 2012.
6. RU №2291595, 2007.
7. RU №2411699, 2011.
8. RU №2442935, 2012.
9. RU №2505752, 2014.
10. RU №2430630, 2011.
11. RU №2457680, 2012.
12. RU №2457637, 27.07.2012.
13. JPS 62207574 А, 11.09.1987.