способ электрохимической обработки и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ электрохимической обработки, включающий анодное растворение элементов конструкции в растворе электролита, отличающийся тем, что в качестве электролита используют соленую воду водоемов, при этом электрод соединяют с концами жгутов термопар, холодный спай которых погружают на глубину со стабильно низкой температурой, а горячий спай размещают под поверхностью воды или вблизи ее границы, а затем электродам через изоляторы придают локальное перемещение вдоль зоны растворения конструкции для ее разделения.

2. Устройство для электрохимической обработки, содержащее электрод, отличающееся тем, что оно снабжено жгутами термопар, соединенными с электродом, двумя полукольцами, на наружной поверхности которых под углом не более 45^o закреплены лопатки, при этом электрод соединен с полукольцами через упругий материал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для удаления подводных металлических конструкций на морях и водоемах с соленой водой.

Известен способ электрохимической обработки, применяемый для разделения металлических конструкций. При этом обработка ведется в воздушной среде или среде "жидкого стекла" с помощью специальных электродов-инструментов [1].

К недостаткам такого способа следует отнести то, что при такой обработке невозможно разделять конструкции, которые смонтированы в водоемах, в том числе с соленой водой. Кроме того, существуют методы удаления таких конструкций, однако они не обеспечивают безопасности персонала при проведении работ.

Наиболее близким по совокупности признаков является способ для обработки деталей, в том числе их разделения. При этом обрабатываемые и разделяемые детали имеют произвольные сечение и переменный периметр обрабатываемой поверхности [2].

К недостаткам способа следует отнести следующее. Способ не позволяет обрабатывать наружный профиль поверхности детали и поверхности с переменными припусками, расположенными в водной, в том числе соленой среде; способ может быть реализован только при наличии источника питания большой мощности, что делает невозможным проведение работ по разделению конструкций без источника электрического тока (линий электропередач, различного типа генераторов и т. п. ), а также без непосредственного контроля оператора за ходом обработки. Кроме того, невозможно применить способ для удаления конструкций, отработавших свой ресурс, в соленых водоемах.

Известно устройство для реализации данного способа обработки, которое представляет собой специальную стационарную установку и инструмент в виде диска, изготовленного из токопроводящего материала. В качестве рабочей среды при разделении конструкций в таком устройстве используется либо "жидкое стекло", либо воздушная среда [3]. К недостаткам такого устройства следует отнести то, что стационарная установка не может работать без источника технологического тока, привода для вращения диска, механизма подачи в виде электрического привода или ручного механизма, перемещаемого оператором, а также использовать соленую воду водоемов, так как при этом исключается возможность других рабочих сред в силу их перетекания в источник. Установка не может работать автономно без участия оператора, на которого оказывают вредное влияние газообразные и растворенные продукты обработки.

Наиболее близким аналогом каждого из заявленных изобретений можно считать способ электрохимической обработки путем анодного растворения металла в растворе электролита и устройство для его осуществления, раскрытые в SU 623691, МПК 7 B 23 K 3/10, 27.07.1978.

Изобретение направлено на разделение металлических конструкций в соленых водных средах без участия человека и с обеспечением его безопасности.

Это достигается тем, что в качестве электролита используют соленую воду водоемов, электроды, участвующие в разделении конструкции, соединяют концами жгутов термопар, один конец которых (холодный спай) помещают на глубину водоема со стабильно низкой температурой, а другой (горячий спай) - на поверхность воды или в подповерхностный слой, затем электродам через изоляторы придают локальное перемещение вдоль зоны растворения конструкции для ее разделения.

Для реализации способа предлагается устройство, в котором электрод упругим материалом соединен с полукольцами, на наружной поверхности которых под углом не более 45^o расположены лопатки, электрод соединен со жгутами холодного и горячего спаев термопар.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид устройства, размещенного на конструкции B, подлежащей разделению, на фиг. 2 представлена конструкция устройства для реализации данного способа, на фиг. 3 - конструкция многозвенного электрода.

Способ осуществляется за счет использования термопар, в которых возникает электрический ток из-за разницы температур спаев. ЭДС такого тока при перепаде температуры в 20 K в термопаре типа "железо-константан" достигает 1050 микровольт. Размещая жгут термопар одним концом на глубину со стабильно низкой температурой, а другим - на поверхность воды или в подповерхностный слой, путем последовательных или параллельных соединений их в устройстве можно получить требуемые электрические параметры на электродах: напряжение от 5 до 20 В и значительную силу тока [4], достаточные для проведения электрохимической обработки. При этом отпадает необходимость в стационарном источнике питания.

Принцип работы заключается в следующем. Место разделения конструкции B зачищают до металлического блеска, на него устанавливают механическую часть устройства, состоящую из полуколец 1 и 2, на которых под углом (0 < 45^o) закреплены лопатки 10 и коллектор 11, к которому прикрепляются концы жгута холодного Б и горячего А спаев термопар. Количество термопар в жгуте определяется по известной ЭДС каждой термопары и из условия получения рабочего напряжения для электрохимической обработки от 6 до 36 В и плотности тока на рабочей поверхности не менее 3 А/см². Сближение отрицательного электрода с местом разделения осуществляется за счет перемещения его в образовавшееся в процессе разделения углубление. Под воздействием электрического тока в соленой воде происходит анодное растворение материала конструкции до полного разрушения. При этом используется явление, при котором морская вода и соленые водоемы имеют химический состав, аналогичный рабочим средам для электрохимической размерной обработки с концентрацией, достаточной для протекания процесса анодного растворения [5]. Кроме того, за счет размещения термопар в водных слоях с различной температурой получаем автономный природный источник электрического тока с мощностью, достаточной для проведения электрохимической обработки.

Устройство для реализации данного способа (фиг. 2) включает в себя два полукольца 1 и 2, которые связаны между собой шарниром 3. Полукольца соединяют зажимом 4. Внутри кольца установлена рабочая часть электрода в форме многозвенной цепи 5, имеющей разъем в место соединения полуколец 6. К звеньям электрода подведен ток от коллектора через гибкий проводник 7. От этого звена ток поступает через гибкие перемычки 8 на все звенья. Пространство между полукольцами и звеньями электрода заполняют упругим материалом 9, например вспененным поролоном, сохраняя разъем между кольцами.

Звенья многозвенной цепи 5 (фиг. 3) соединены между собой пазами 12, которые позволяют изменять длину образующей зоны разрезания. Боковые поверхности звеньев покрыты слоем изоляции 13, например окислами. Кроме того, на поверхности звеньев 5 установлены изоляторы 14, ширина которых не более толщины звена.

Процесс разделения конструкции осуществляется в следующей последовательности. Изучают сечение конструкции на металлических участках и на макете подбирают устройство с формой поверхности электродов, близкой к наружному сечению конструкции, по мере возможности уточняют временные перепады уровня водоема и глубину установки устройства. Зачищают место установки до металлического блеска, закрепляют устройство на расчетной глубине и на грузе опускают холодный спай термопар до глубины со стабильной температурой и (при возможности) закрепляют жгут и груз на конструкции. Жгут с горячими спаями помещают на надводной части конструкции или (в случае необходимости) вблизи поверхности водоема и закрепляют на конструкции, например, хомутом. Через коллектор 11 ток от жгута спая термопары, имеющего положительный полюс, подводится к конструкции, которая становится положительным электродом. От жгута, имеющего отрицательный полюс, - к гибкому проводнику 7, соединенному с одним из звеньев электрода многозвенной цепи 5, которая становится инструментом. От этого звена ток через гибкие перемычки 8 поступает на все звенья, поддерживая металлический контакт всей цепи при изменении длины периметра за счет пазов 12. Устройство помещено в водоем с соленой водой, поступающей в межэлектродный зазор. Возникает электрохимическая ячейка, включающая электроды под током и электролит в виде соленой воды водоема. Начинается анодное растворение металла конструкции. Для интенсификации процесса требуется вынос из межэлектродного зазора продуктов обработки, который будет происходить за счет гравитационных сил и естественного перемещения воды в водоеме. По мере анодного растворения звенья анодной цепи 5 будут углубляться в конструкцию, при этом пазы 12 позволяют изменять длину образующей по мере сокращения длины цепи 5, а подвод тока к цепи обеспечивается гибкими перемычками 8, соединяющими звенья. Упругий материал 9 обеспечивает постоянный контакт изоляторов 14 с местом разъема конструкции, где образуется углубление. Для съема материала конструкции под изоляторами 14 необходимо перемещать устройство вдоль углубления по периметру внутренней поверхности цепи 5 на величину, не менее длины контактной длины изолятора 14 с углублениями. Это осуществляется за счет лопаток 10, жестко закрепленных на полукольцах 1 и 2 под углом к оси устройства. За счет колебаний уровня воды (под действием приливов, волн, транспортных средств, ветра и т.п.) вода действует на лопатки 10. При этом для эффективной передачи усилия лопаток 10 на кольца 1 и 2 в направлении поворота вокруг оси лопатки 10 должны иметь угол не более 45^o к оси устройства. Поворот устройства относительно неподвижной конструкции должен обеспечивать перемещение цепи 5 вдоль периметра углубления на величину не менее длины контактной поверхности изолятора 14. Для обеспечения этого условия длину изолятора 14 выбирают минимальной в пределах 0,2 - 0,5 мм, что позволяет гарантировать съем металла под изолятором 14. Без такого поворота устройства относительно конструкции процесс протекает замедленно за счет съема металла конструкции под изоляторами 14 с боковых сторон. Такой поворот способствует ускорению удаления продуктов обработки из межэлектродного зазора и ускоряет процесс разделения металлических конструкций. Ширина изолятора 14 не может быть шире звена цепи 5, так как по мере перемещения цепи 5 в углубление изолятор 14 должен свободно размещаться по ширине углубления. По мере перемещения электрода в форме многозвенной цепи 5 в углубление периметр цепи 5 изменяется за счет пазов 12 между звеньями.

Устройство работает автономно, без участия человека, так как термопары вырабатывают ток в течение всего времени разделения за счет перепада температур на поверхности и на глубине водоема, состав рабочей среды, в виде воды соленого водоема, сохраняется достаточно стабильным, межэлектродный зазор поддерживается конструкцией устройства. Для устранения коротких замыканий между электродами при перемещениях цепи 5 боковые поверхности звеньев изолированы, например, покрытием или окислами. Токсичные продукты обработки выделяются с места в малых количествах и не могут превысить естественного фона, вредного для окружающей среды, а человек в период разделения может не присутствовать.

Источники информации

1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2-х т. Т. 1. Обработка материалов с применением инструмента/ Под ред. В.П. Смоленцева. - М.: Высшая школа, 1983. - С. 29-131.

2. Томашевский Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. - М.: Металлургия, 1956. - С. 142.

3. Смоленцев В. П., Сухоруков Н.В. Физические основы и технологическое применение электроконтактного процесса. - Воронеж: ВГТУ, 1998, 168 с.

4. Смоленцев В.П. Технология электрохимической обработки внутренних поверхностей. - М.: Машиностроение, 1978. - С. 88-89.

5. Дж. Кей, Т. Лэби. Таблицы физических и химических постоянных. - М.: Госиздат, 1962. - С. 52-53.