專利名稱:清除金屬表面污物，特別是銹蝕的方法
本發(fā)明是借助于激光照射使污物汽化來清除金屬表面的污物，特別是除去氧化物，除銹蝕的方法。
借助于激光照射汽化銹蝕來進(jìn)行鋼表面的除銹，如可以從DE-OS2943107中得知，基本上是可行的，也就是說，不汽化鋼，而只是通過改變鋼表面金相組織來破壞銹蝕層。當(dāng)銹蝕被汽化后，激光束部分地被鋼表面所反射。另一部分照射在鋼表面上的激光，則將變成熱在鋼里被相當(dāng)快地向各方面?zhèn)鲗?dǎo)走。因此，如在一個(gè)很局限的部位，短時(shí)間輸送大的能量并不會(huì)導(dǎo)致過大的溫升，所以是可以接受的。在用機(jī)械的方法除掉比較疏松的銹蝕之后，汽化殘留銹層所需的激光照射強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的調(diào)節(jié)應(yīng)留有一定的余量，在使鋼的性能受到保護(hù)的狀況下保持不變。
本發(fā)明的基本任務(wù)是，用激光照射來汽化污物，要快速，盡可能減少損失，安全可靠地完成鋼材及金屬的除銹清理工作。本發(fā)明的任務(wù)是這樣實(shí)現(xiàn)的，由暴露的金屬表面上的激光束的反射來控制激光照射。
為此，對(duì)沿著金屬表面的激光照射的進(jìn)給盡可能進(jìn)行自動(dòng)控制，以及對(duì)激光照射強(qiáng)度進(jìn)行自動(dòng)控制都具有特殊的意義。
當(dāng)金屬表面，例如8×8或10×10mm被照射的部位完全暴露時(shí)，它反射的光束部分地被一臺(tái)光束探測器所檢測，并在一臺(tái)適當(dāng)?shù)目刂圃O(shè)備中，作為照射點(diǎn)向下一個(gè)照射部位進(jìn)給的閾值進(jìn)行處理。能量過多一方面是個(gè)損失，而另一方面，也可能破壞金屬的金相組織，這只會(huì)在照射點(diǎn)上出現(xiàn)，倘使其它部分仍然被銹蝕或其它污物層蓋住的話，這種能量過大，還可以通過縮小照射點(diǎn)來減少，根據(jù)本發(fā)明的控制器可以使照射點(diǎn)的縮小，在實(shí)現(xiàn)非遲緩，快速的自動(dòng)進(jìn)給之前完成，縮小的照射點(diǎn)也節(jié)省照射時(shí)間，因?yàn)榇藭r(shí)不大有需長時(shí)間照射的部位了。
照射強(qiáng)度的控制根據(jù)以下情況來考慮。
金屬和污物之間的性能差異是這樣的，對(duì)帶有特別頑固的污物部分進(jìn)行時(shí)間短，強(qiáng)度大的照射比較好，或者考慮到具體金屬，降低照射強(qiáng)度比較好，盡管這樣做會(huì)使照射時(shí)間變長，但根據(jù)污物的各種類型對(duì)照射強(qiáng)度進(jìn)行最佳調(diào)整也是可能的。例如，當(dāng)各種不同的污物分布在待清理的金屬表面上并且有時(shí)會(huì)出現(xiàn)部分污物重疊現(xiàn)象，一種污物可能比另一種污物較快地被除去，如果照射點(diǎn)上的金屬表面顯示出某種反射的話，我們可以在一種污物除去之后，從對(duì)這種材料較為合適的照射強(qiáng)度調(diào)整到對(duì)另一種材料比較合適的照射強(qiáng)度。
對(duì)照射強(qiáng)度的持續(xù)控制，甚至短時(shí)間切斷激光束，通常還可以用這種方式省去一個(gè)進(jìn)給控制，即在通過控制照射強(qiáng)度使進(jìn)給保持不變的情況下，照射量會(huì)適應(yīng)已用激光照射過的部位的要求。
根據(jù)上述說明，根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方法，其設(shè)備具有一個(gè)激光照射裝置，這個(gè)激光照射裝置具有一個(gè)由激光束經(jīng)金屬表面的反射來進(jìn)行控制的進(jìn)給裝置和(或)照射強(qiáng)度控制裝置和(或)其它裝置。
另一個(gè)由激光束經(jīng)暴露的金屬表面的反射來進(jìn)行控制的設(shè)備作為進(jìn)給設(shè)備和強(qiáng)度控制設(shè)備，在用于處理例如小工件或象照射點(diǎn)那樣大小的面積時(shí)，它可以是一臺(tái)單純的用來最終切斷的裝置。也可考慮這樣一種設(shè)備，例如，這種設(shè)備在照射點(diǎn)均衡進(jìn)給的情況下，記錄和貯存污物的剩余部分情況，用同一臺(tái)照射設(shè)備或另一臺(tái)照射設(shè)備對(duì)該部分進(jìn)行的第二次照射時(shí)，只照射有上述殘余污物的部位，此外，還可以這樣來考慮對(duì)反射的光束的圖象利用，即在照射一個(gè)基面之后，如已說明的那樣，在照射一個(gè)正方塊之后，激光束被更強(qiáng)烈地聚束，只提供一個(gè)相當(dāng)小的，例如園形的照射點(diǎn)，然后將這個(gè)照射點(diǎn)專門引向在原先的照射點(diǎn)之內(nèi)尚存的污物部位上。
還有其它許多由自身的反射來控制激光照射的變通用途可以考慮。
測定反射可有各種不同的方法。
激光束可以通過最好與它成40°～50°夾角的，對(duì)它來說至少是容易透射照射光束的小鏡子引導(dǎo)的，在它的照射方向上接有一個(gè)激光束檢測器，鏡子反射了由金屬表面反射的光束的可供利用的部分，這就是說，它與有多少剩余透射部分無關(guān)。它也可以是一面最好是窄的在一個(gè)由激光束引導(dǎo)的環(huán)形軌道上運(yùn)動(dòng)的反射光束的鏡子，在軌道上或在鏡子的反射方向上設(shè)一個(gè)激光束探測器。這兩種方案可以使激光束垂直地對(duì)準(zhǔn)金屬表面。
人們也可以使激光束斜對(duì)金屬表面并在金屬表面的反射方向上設(shè)一個(gè)激光束探測器。
也可以考慮以反射的光束的方向偏轉(zhuǎn)來代替反射，這是通過一個(gè)超聲波發(fā)射器實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)超聲波發(fā)射器設(shè)置在相對(duì)于瞄準(zhǔn)金屬表面的激光束，以及反射光束的這樣一個(gè)位置上，即這個(gè)超聲波發(fā)射器通過激光光程的大氣密度的變化將一部分反射的光束引導(dǎo)到一個(gè)激光束探測器上。
為了確保以上述方式或另一種其他方式對(duì)金屬表面所反射的激光光束進(jìn)行的測量具有足夠的精度，可以設(shè)置一個(gè)照射點(diǎn)的惰性保護(hù)氣體或還原保護(hù)氣體的輸送裝置，它同時(shí)又作為一個(gè)吹洗裝置。
附圖表示本發(fā)明的實(shí)施例子，也就是一臺(tái)管子除銹設(shè)備。
圖1是該設(shè)備的激光發(fā)射裝置的方塊圖;
圖2這種設(shè)備的機(jī)械裝置，管子端視圖;
圖3是圖2中噴咀部分的放大比例的軸向剖面圖。
由一臺(tái)激光發(fā)射器21發(fā)出的激光束在一臂狀彎道22中由激光發(fā)射器出發(fā)向下折射，它通過噴咀7直接從例如直徑為20厘米的一根待除銹的管子24的表面出來。管子24橫放在滾輪架25上，滾輪架連續(xù)地這樣轉(zhuǎn)動(dòng)和推進(jìn)管子，即使激光束的焦點(diǎn)一點(diǎn)不漏地掃過在一個(gè)管子表面的螺旋形軌道，例如，焦點(diǎn)直徑5毫米，除銹之管子每轉(zhuǎn)一次，軸向推進(jìn)5毫米。
這種滾輪架就是眾所周知的用于超聲波或其它手段檢查管子的那種滾輪架。
滾輪架由一些各自帶有一對(duì)支承輪26和27的支架28組成，支架是相隔一定距離相互對(duì)準(zhǔn)排列。管子24位于支承軸26和27之間，至少支架28的一部分配有一只壓緊輪29，它位于支承輪26和27之間，從上面緊貼在管子上。
在支承輪和(或)壓緊輪26、27、29中的一部分配有一個(gè)在圖上未標(biāo)出的一般類型的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。至少滾輪架上的這些被驅(qū)動(dòng)的滾輪為產(chǎn)生管子的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)而與管子軸線傾斜，這就是說，滾輪軸線在與管子的接觸點(diǎn)之中的切面30之內(nèi)扭轉(zhuǎn)了一個(gè)小的角度。為說明支承輪26和27以及壓緊輪29，夸大畫出圖2中的傾斜的位置。
被驅(qū)動(dòng)的滾輪表面可以有一層具有比管子表面磨擦系數(shù)要大的涂層，以使管子的傳動(dòng)可靠實(shí)現(xiàn)。倘若為方便起見不設(shè)置滾輪，或未給出精確的角度位置，則管子在其上沿軸向略有滑動(dòng)。
為保證焦點(diǎn)一處不漏地掃過管子表面，也可設(shè)置一個(gè)強(qiáng)制導(dǎo)向裝置，為防止通過被驅(qū)動(dòng)的滾輪所產(chǎn)生的軸向進(jìn)給會(huì)測算過大，在管子上安裝一個(gè)機(jī)械夾持裝置，它與管子同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷地提供精確地測得的進(jìn)給，并且一方面，絲杠沿軸向被夾緊在管子上，另一方面，通過一個(gè)固定的螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，使其螺距等于管子表面上焦點(diǎn)的螺旋形軌道的規(guī)定的螺距。
圖2表示了被稱為激光器1的各種裝置。激光器31在上述例子中應(yīng)是一臺(tái)帶有13.5或者27兆赫的高重復(fù)率的25千瓦功率的二氧化碳激光器。激光器發(fā)射例如直徑50mm的激光束9。該激光束在臂狀彎道22中通過一個(gè)反射鏡向下折，在開口部分7上通過一個(gè)透鏡8(圖3)聚焦為已提及的直徑為5毫米的焦點(diǎn)，這樣，在管子24的除銹表面11上的照射強(qiáng)度為107瓦/厘米2。
從暴露的金屬表面上返回的激光，通過一只回轉(zhuǎn)的反射器32從激光束9的橫截面處分開并被引向探測器33。
回轉(zhuǎn)的反射器32，例如由一根2毫米的銅棒組成，它在一個(gè)截割激光束9的環(huán)形軌道上高速回轉(zhuǎn)，這類裝置有各種不同結(jié)構(gòu)是眾所周知的。
探測器33例如是一個(gè)專家們稱之為MOlectron公司生產(chǎn)的P3型(Molectron P3)結(jié)構(gòu)的熱積電探測器。
它的信號(hào)通過電源設(shè)備中的一只信號(hào)放大和處理器34后，供激發(fā)和控制激光光束用。
機(jī)構(gòu)32～35是這樣設(shè)置的，一旦反射回的激光達(dá)到在焦點(diǎn)上產(chǎn)生完全暴露的金屬表面的強(qiáng)度時(shí)，激光器31退到一個(gè)低強(qiáng)度或完全切斷，而一旦反射回的激光強(qiáng)度又重新降到閾值時(shí)，激光器又接到連續(xù)的全功率上。
激光器的這種強(qiáng)度控制在幾秒鐘內(nèi)完成。與此相比，焦點(diǎn)在管子表面上的進(jìn)給是慢的，管子轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周速度，在上述例子中為每分鐘40～50米或更高。
直徑5毫米的焦點(diǎn)值，是考慮到銹蝕結(jié)構(gòu)這樣選擇的。典型的銹蝕的直徑為1～5毫米。
在如同這個(gè)例子的通常情況下，由于一方面要達(dá)到盡可能高的功率，另一方面又要保護(hù)材料，所選的107瓦/厘米2強(qiáng)度值似乎很合適，一般也可考慮106～108瓦/厘米2。
不言而喻，上述數(shù)據(jù)不可能適用于每一種除銹和清理任務(wù)。它們僅提供為獲得適當(dāng)?shù)膶?shí)施進(jìn)行通常試驗(yàn)的依據(jù)。
圖3進(jìn)一步詳細(xì)地展示這種設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它展示裝在臂狀彎道22的端部的噴咀7的軸向剖面。
噴咀7上有聚焦用的，前面提及的透鏡8，這樣，激光束通過噴咀的錐形出口10之后，在管子的除銹表面11上有所希望的焦點(diǎn)。惰性氣體輸送管12和吸氣管13穿過噴咀7，前者在噴咀內(nèi)與噴咀合成一體，后者的入口在遠(yuǎn)離噴咀的外側(cè)，位于包圍噴咀的一風(fēng)箱組成的罩子14的后端。罩14如15所示，可以在前面用加強(qiáng)筋固定。在具體情況下，它被固定在棒形，用于保持距離的支撐架16上，支撐架16位于(噴咀7旁的)支承橫檔17中，是可以調(diào)節(jié)的，并通過在除銹表面上帶滑動(dòng)腳36的設(shè)備把噴咀7，包括罩子14，保持在離除銹表面所需的距離上。
通過采用一面擺動(dòng)鏡，可使激光束來回?cái)[動(dòng)，也就是使焦點(diǎn)在清理表面上走一個(gè)鋸齒形成彎曲形的軌道。這個(gè)方案特別適用于清理象船艙壁那樣的大面積鋼板。
權(quán)利要求
1、一種借助激光照射使污物汽化，從而將金屬表面的污物，特別是鐵和鋼表面的污物，氧化物，鐵銹除去的方法，其特征是
由暴露的金屬表面的激光束的反射來控制激光照射。
2、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征是
用上述方法控制激光束沿著金屬表面的移動(dòng)(進(jìn)給)。
3、根據(jù)權(quán)利要求
1和2所述的方法，其特征是用上述方法控制激光束的強(qiáng)度。
4、根據(jù)權(quán)利要求
1～3實(shí)施方法的裝置，其特征是，它包括
一種通過金屬表面(11)的激光束的反射來控制進(jìn)給裝置和(或)強(qiáng)度控制裝置(33、34、35)和(或)其它裝置的激光照射裝置。
5、根據(jù)權(quán)利要求
4所述的裝置，其特征是
激光束是通過一塊最好與它成40°-50°夾角并對(duì)它來說至少是反射光束可透射的鏡子來引導(dǎo)，在其反射方向上設(shè)有一個(gè)激光束探測器。
6、根據(jù)權(quán)利要求
4所述的裝置，其特征是
一塊最好是窄的用于光束反射的鏡子(32)，并在一個(gè)最好是環(huán)形的通過激光束引導(dǎo)的軌道上移動(dòng)，在鏡子(32)的反射方向上設(shè)有一個(gè)激光探測器(33)。
7、根據(jù)權(quán)利要求
4所述的裝置，其特征是
激光束斜對(duì)著金屬表面，在金屬表面的入射方向上設(shè)有一個(gè)激光束探測器。
8、根據(jù)權(quán)利要求
4所述的裝置，其特征是
一個(gè)超聲波輻射器設(shè)置在相對(duì)于對(duì)準(zhǔn)金屬表面的激光束和反射的光束的位置上，即是，使超聲波輻射器通過激光行程中的大氣密度的變化，把反射光束的一部分引向一個(gè)激光束探測器。
9、根據(jù)權(quán)利要求
4～8所述的一種裝置，其特征是設(shè)置了一個(gè)惰性或還原性的保護(hù)氣體的輸送裝置(12)作為吹洗裝置。
專利摘要
清除金屬表面的污物，特別是銹蝕的方法。借助于激光(9)照射，使銹蝕或其它污物汽化，從而清除金屬表面(11)的銹蝕或其它污物，激光束照射在金屬表面上，利用其反射加以控制。
文檔編號(hào)H01S3/101GK85103734SQ85103734
公開日1986年11月19日 申請(qǐng)日期1985年5月17日
發(fā)明者厄芬德伊斯特·格利克·安梅爾德 申請(qǐng)人:羅伯特·蘭根導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan