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

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ПРИ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Ю. Б. Кудасов abc*, И. В. Макаров c, В. В. Платонов abc, О. М. Сурдин abc**, Д. А. Маслов abc, С. Л. Воронов c, А. Ю. Малышев c, А. С. Коршунов c, Е. Я. Попов ab, А. С. Светлов ab

a Саровский физико-технический институт – филиал НИЯУ “МИФИ”
607186 Нижегородской обл., Саров, ул. Духова, 6, Россия

b Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
115409 Москва, Каширское ш., 31, Россия

c РФЯЦ–ВНИИ экспериментальной физики
607188 Нижегородской обл., Саров, просп. Мира, 37, Россия

* E-mail: yu_kudasov@mail.ru
** E-mail: mossom1@rambler.ru

Поступила в редакцию 02.02.2018
После доработки 18.05.2018
Принята к публикации 30.07.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлена экспериментальная установка для исследования динамики деформации металлического образца под действием импульса магнитного поля сложной формы: медленная часть импульса прямой полярности (амплитудой до 15 Тл) и быстрая часть, состоящая из последовательности импульсов обратной полярности (амплитудой до 4 Тл). При этом создается давление, вызывающее притяжение образца к индуктору. Устройство состоит из четырех источников импульсного тока, работающих одновременно на один индуктор. Рассматривается генерация импульсного магнитного поля индукторами двух типов: плоским (двойная плоская спираль) и цилиндрическим с вырезом-концентратором магнитного поля. Установка снабжена многоточечной системой измерения динамики деформации пластины в процессе воздействия. Показана возможность пластической деформации медных, алюминиевых и стальных пластин толщиной до 1 мм.

DOI: 10.1134/S0032816219010166

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 (C1C3) 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 (БИП1БИП3) 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 D5D9 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., R6R12 – 1.2 кВ по 3 шт. Конденсаторы C7C11 имеют номинал 2.2 нФ.

Рис. 1.

Схема силовой части установки. ЗУ1ЗУ4 – зарядные устройства; У1–У4 – линии управления пусками; БИП1БИП3 – источники обратного тока; T1 – тиристор Т173-1600-30; D1, D2 – ДИ173-5000-22, D3, D4 – Д123-200-60, D5D9 – ДЧ423-200-46; L1 – дроссель ~35 мкГн, L2 – индуктор ~20 мкГн, L3 – пояc Роговского, L4 – дроссель; P1 – разрядник с пороговым напряжением 3 кВ, P2 – разрядник РУ-62; C1C3 К75-100-3кВ-5600мкФ; C4C6 – К75-97b-12.5кВ-1мкФ; R1, R3, R4 – составные варисторы 1.2 кВ по 2 шт., R6–R12 – по 3 шт; R2 подбирается в пределах от 0 до 30 мОм, R5 – от 0 до 0.5 Ом.

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 БИП1БИП3.

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.

Рис. 2.

Конструкция ленточного индуктора с вырезом-концентратором. Стрелками показаны электрические выводы индуктора, серым пятном обозначена область наиболее интенсивного взаимодействия индуктора и заготовки (пластина снизу).

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.

Рис. 3.

Измерительный узел. 1 – плоский индуктор; 2 – металлическая заготовка (образец); 3 – индукционные датчики многоточечной системы.

Рис. 4.

Индукционный датчик перемещения: общий вид (а) и электрическая схема (б). Г – генератор синусоидального сигнала, Осц – регистрирующий осциллограф.

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

(1)
$\begin{gathered} z(r,t) = {{c}_{1}}(t){{\left[ {1 - {{{\left( {\frac{r}{a}} \right)}}^{2}}} \right]}^{2}} + \\ + \;{{c}_{2}}(t){{\left[ {1 - {{{\left( {\frac{r}{a}} \right)}}^{2}}} \right]}^{3}} + {{c}_{3}}(t){{\left[ {1 - {{{\left( {\frac{r}{a}} \right)}}^{2}}} \right]}^{4}} + ..., \\ \end{gathered} $
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 cn(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 C1C3 на дроссель L1 с индуктором L2 и апериодическое затухание тока при включении кроубарной цепи R2D1D2. Вблизи максимума прямого импульса тока видны 3 коротких обратных импульса тока, сформированных источниками БИП1БИП3.

Рис. 5.

Форма импульса тока в плоском индукторе со стальной заготовкой толщиной 0.5 мм (A–D – характерные моменты импульса). На вставке увеличенный фрагмент с последовательностью обратных импульсов тока.

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.

Рис. 6.

Деформация пластины в различные моменты времени вдоль диаметра x (A–D соответствуют характерным точкам на рис. 5). Для удобства масштаб по вертикали различен.

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”.

Список литературы

  1. Hayes D.B., Hall C.A., Asay J.R., Knudson M.D. // J. Appl. Phys. 2004. V. 96. P. 5520. doi 10.1063/1.1803108

  2. Белый И.В., Фертик С.М., Хименко Л.Т. Справочник по магнитоимпульсной обработке. Харьков: Вища школа, 1977.

  3. Psyka V., Risch D., Kinsey B.L., Tekkaya A.E., Kleiner M. // J. Mater. Proc. Tech. 2011. V. 211. P. 787. doi 10.1016/ j.jmatprotec.2010.12.012

  4. Лагутин А.С., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. М.: Энергоатомиздат, 1988.

  5. Hansen K.A., Hendrickson I.G. US patent 3998081. 1976.

  6. Кудасов Ю.Б. Патент на изобретение № 2558700 РФ // Опубл. 10.08.2015. Бюл. № 22.

  7. Kudasov Yu.B. PCT Patent application PCT/RU2013/ 001051. 2013.

  8. https://electroimpact.com/Products/Specialty/EDR /Overview.aspx

  9. Batygin Y.V., Golovashchenko S.F., Gnatov A.V. // J. Mater. Proc. Tech. 2013. V. 213. P. 444. doi. org 10.1016/j. jmatprotec.2012.10.003

  10. Кудасов Ю.Б., Маслов Д.А., Сурдин О.М. // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. С. 10. doi 10.21883/ PJTF.2017.02.16445

  11. Hansen K.A., Hendrickson I.G. US patent 4061007. 1977.

  12. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985.

Дополнительные материалы отсутствуют.