Приборы и техника эксперимента, 2019, № 1, стр. 89-93

В настоящее время деформация металлических элементов импульсными магнитными полями широко используется в научных исследованиях [1] и магнитно-импульсной обработке металлов [2]. В частности, возможно выполнение различных технологических операций с металлическими заготовками [3]: формовка плоских и цилиндрических деталей, сварка разнородных металлов (алюминий–сталь, алюминий–медь) и т.д. Как правило, импульсное магнитное поле создает давление на заготовку в направлении, соответствующем взаимному отталкиванию индуктора и заготовки [4]. Это связано с тем, что согласно правилу Ленца индукционные токи создают магнитное поле, препятствующее изменению магнитного поля. С другой стороны, существует экзотический способ магнитно-импульсной формовки, при котором заготовка притягивается к индуктору [5]. Для его реализации необходимо создание импульса магнитного поля сложной формы: медленно изменяющийся импульс большой амплитуды в прямом направлении, а в его максимуме короткий одиночный импульс [4] или последовательность импульсов [6, 7] обратной полярности (обратная магнитно-импульсная обработка).

Обратная магнитно-импульсная обработка используется крайне редко, что связано, в первую очередь, со сложностью создания комбинированного импульса сильного магнитного поля. В частности, было разработано устройство с одиночным обратным импульсом для разработки технологии выправки вмятин на элементах летательных аппаратов [8, 9]. Недавно в работе [10] было теоретически показано, что последовательность обратных импульсов [6, 7] является более эффективной, чем одиночный обратный импульс [4], однако в этом случае конструкция устройства становится крайне сложной.

В данной работе описывается экспериментальная установка для исследования динамики деформации металлической пластины под действием комбинированного импульса магнитного поля: медленный прямой импульс магнитного поля с тремя быстрыми обратными импульсами. Параметры установки подобраны для работы с тонколистовыми (до 1 мм) стальными заготовками.

Принципиальная схема силовой части устройства представлена на рис. 1. Конденсаторная батарея прямого тока (C₁–C₃) с максимальным зарядным напряжением 3 кВ и полной емкостью 16.8 мФ (на конденсаторах К75-100-3кВ-5600 мкФ) разряжается через ключ на тиристоре T₁ (Т173-1600-30) и дроссель L₁ на индуктор L₂. При этом импульс тока имеет времена нарастания ~3 мс и спада >10 мс. Эти характеристики подобраны таким образом, чтобы магнитное поле проникало через заготовку, не вызывая в ней заметных пластических деформаций. Три одинаковых источника обратного тока (БИП₁–БИП₃) включаются последовательно по времени при достижении максимума прямого тока. Суммарная емкость конденсаторов (C₄–C₆) в каждом канале составляет 3 мкФ (конденсаторы К75-97b-12.5кВ-1мкФ), максимальное зарядное напряжение – 12 кВ. Коммутация батареи осуществляется разрядником P₂ (РУ-62) через диодный столб D₅–D₉ с малым временем восстановления (диоды ДЧ423-200-46), дроссель L₄ и неуправляемый разрядник P₁ на индуктор L₂. Длительность нарастания импульса обратного тока составляет около 15 мкс, длительность спадания – от 30 до 120 мкс. Обратные импульсы тока являются достаточно короткими, чтобы глубина проникновения магнитного поля, создаваемого ими, была много меньше толщины заготовки. Это условие обеспечивает эффективное притяжение заготовки к индуктору [5, 6, 8]. Ток в индукторе контролируется поясом Роговского L₃. Выравнивающие варисторы R₁, R₃, R₄, R₆–R₁₂ выполнены составными из варисторов СН2-1а следующими номиналами: R₁, R₃, R₄ – 1.2 кВ по 2 шт., R₆–R₁₂ – 1.2 кВ по 3 шт. Конденсаторы C₇–C₁₁ имеют номинал 2.2 нФ.

Отметим, что резисторы в кроубарных цепях источников прямого (R₂) и обратного тока (R₅) могут подбираться для подстройки спада импульса тока. Кроубарные столбы выполнены на диодах ДИ173-5000-22 (D₁, D₂) и Д123-200-60 (D₃, D₄). Резистор R₂ изготовлен из нихромовой проволоки ∅2 мм и допускает поглощение энергии до 50 кДж за импульс. Система коммутации обратного тока организована таким образом, чтобы при зарядке конденсаторных батарей прямого и обратного токов напряжением одной полярности в нагрузке создавались разнополярные импульсы тока.

Для развязки источников прямого и обратного тока служит дроссель L₁ индуктивностью ~35 мкГн, что немного больше индуктивности индуктора (~20 мкГн). Следует отметить, что в схеме на рис. 1 используются газовые разрядники и силовые полупроводниковые элементы, поэтому предпринимались специальные меры для ограничения критических скоростей нарастания прямого тока и обратного напряжения в полупроводниковых элементах. Для развязки между собой обратных импульсов тока служат диодные столбы D₅–D₉. Поскольку импульсы тока в серии обратных импульсов могут частично перекрываться между собой, может возникнуть ситуация, когда на диодный столб, находящийся в открытом состоянии, приходит импульс обратного напряжения. Чтобы ограничить скорость нарастания обратного напряжения, параллельно выравнивающим варисторам включены конденсаторы, поглощающие избыточный заряд в диодах. Для ограничения скорости нарастания прямого тока в столбе при включении используется магнитный ключ на основе дросселя L₄ с насыщающимся сердечником. Дроссель изготовлен из двух U-образных сердечников B67345-B1-X87. Неуправляемый отпаянный газонаполненный разрядник P₁ с пороговым напряжением 3 кВ служит для предотвращения попадания прямого тока на фронте импульса в источники обратного тока БИП₁–БИП₃.

В состав устройства входят также высоковольтные источники питания и система синхронизации, генерирующая последовательность импульсов запуска прямого тока и последовательности импульсов обратного тока. Временная диаграмма задается с точностью не хуже 100 нс.

В качестве нагрузки использовались индукторы двух типов: плоский (двойная плоская спираль) и ленточный индуктор с вырезом-концентратором тока и магнитного поля. Плоский спиральный индуктор наматывался на стеклотекстолитовом каркасе медным проводом сечением 2 × 3 мм² с бандажированием высокомодульной параарамидной нитью Армос. Такой индуктор прост в изготовлении и надежен. К его недостаткам следует отнести тот факт, что вследствие осесимметричной конфигурации магнитного поля пондеромоторная сила в заготовке на оси системы равна нулю. Это отражается на динамике движения листовой заготовки [3]. Ленточный индуктор с вырезом-концентратором [11] создает примерно равномерное давление в пятне контакта. Однако его изготовление является технологически сложным, что снижает надежность. На рис. 2 представлена конструкция ленточного индуктора с вырезом-концентратором. Он изготавливался из медной ленты шириной 100 мм со стеклотканью в качестве изолятора. Перешеек в области рабочей зоны (длинный вырез) составлял 10 мм. Предельные амплитуды импульсов прямого и обратного тока составляли 22 кА и 5 кА, которые индуцировали в рабочей области плоского индуктора пиковые магнитные поля 12 Тл и 3 Тл соответственно. Распределение магнитного поля в зазоре между индуктором и заготовкой, а также с обратной стороны заготовки, контролировалось миниатюрными индукционными датчиками, а ток в индукторе измерялся поясом Роговского. Для ленточного индуктора в области концентратора пиковые значения прямого и обратного магнитного поля были несколько ниже, чем для плоского спирального индуктора.

Для исследования динамики заготовки использовались многоточечная индукционная методика измерения перемещения заготовки и моделирование движения металлической пластины под действием пондеромоторных сил. На рис. 3 схематично показан измерительный узел с плоским индуктором. Индуктор создавал осесимметричное импульсное магнитное поле в области заготовки, имевшей форму круглой пластины радиусом a = 48 мм с защемленным краем и соосной с индуктором. Три индукционных датчика перемещения располагались под пластиной в центре и на радиусах 1/3a и 2/3a. Общий вид и электрическая схема датчиков показаны на рис. 4. Каждый датчик состоял из центральной катушки, подключенной к генератору синусоидального сигнала Г с частотой от 2 до 5 МГц, и двух приемных одинаковых катушек со встречной намоткой, размещенных соосно на торцах центральной катушки. Датчик изготавливался на диэлектрическом каркасе ∅6 мм и имел 9 витков в каждой катушке. При отсутствии пластины и хорошей компенсации датчика сигнал с пары приемных катушек отсутствовал вследствие их встречной намотки. При подлете пластины к одному из торцов датчика сигнал увеличивался. Зависимость амплитуды сигнала с датчика от расстояния между пластиной и торцом датчика предварительно калибровалась. Таким образом, удалось измерять поперечные перемещения пластины (деформацию) в трех точках в процессе воздействия импульсного магнитного поля на образец.

Форма пластины в момент времени t для круглой пластины с защемленным краем при осесимметричном изгибе может быть представлена в виде разложения [12]:

где z(r, t) – величина прогиба пластины в зависимости от радиуса r. Три индукционных датчика позволяли непрерывно измерять зависимости прогиба на трех радиусах: z(0, t), z(1/3a, t) и z(2/3a, t). Используя разложение (1) до 3-го порядка, можно определить коэффициенты c_n(t) (n = 1, 2, 3), т.е. восстановить форму пластины в заданный момент времени t. Число мод осесимметричных колебаний, учитываемых при реконструкции формы пластины, равно числу индукционных датчиков перемещений.

Форма импульса тока в плоском индукторе в эксперименте при зарядном напряжении в источнике прямого тока U₁ = 1.5 кВ и в источниках обратного тока U₂ = 7.5 кВ при работе со стальной заготовкой толщиной 0.5 мм представлена на рис. 5. На нем виден прямой медленно изменяющийся импульс тока: нарастание тока при разряде конденсаторной батареи C₁–C₃ на дроссель L₁ с индуктором L₂ и апериодическое затухание тока при включении кроубарной цепи R₂–D₁–D₂. Вблизи максимума прямого импульса тока видны 3 коротких обратных импульса тока, сформированных источниками БИП₁–БИП₃.

На рис. 6 показана динамика деформации стальной пластины под действием импульса тока в характерные моменты времени, обозначенные на рис 5. Видно, что обратный импульс тока приводит к сильному притяжению заготовки к индуктору. Показана также оценка погрешности измерения вертикального перемещения пластины. При больших прогибах пластины в направлении индуктора (вверх) погрешность резко увеличивается.

Установка продемонстрировала возможность пластической деформации при обратной магнитно-импульсной обработке листовых медных и стальных заготовок толщиной до 1 мм. Минимальное время паузы между срабатываниями устройства определяется мощностью зарядного устройства и средней рассеиваемой мощностью в индукторе. Его типичное значение составляло 2 мин.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты № 16-08-00337 и №18-48-520006 р_а) и программы повышения конкурентоспособности НИЯУ “МИФИ”.