Универсальное устройство для импульсной тепловой обработки Советский патент 1980 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к электротермической обработке метаппсе и может быть прщугенено в области нагрева эпектромагнитным полем. Известно устройство для импульсной теплсжой обработки, содержашее- источник питания переменного тока, к которому подключен выпрямитель, и токоограничива- ющйй элемент, последовательно соедине ные конденсатор и катушка индуктивности, которые последовательно соединены с токоограничивающим элементом, а параппепь но им включен тиристорный коммутатор, и второй конденсатор с согласующим устройством, образующими последовательную цепочку, параллельно включенную первому конденсатору Ij. Недостатокизвестного устройства ограниченная возможность скоростного нагрева и импульсной закалки поверхности металла, а также импутгьсного термомехагнического упрочнения этой поверхности. Известно также устройство для импульс ной тепловой обработки, содержащее истгочник питания переменного тока, выпрямитель, токоограничивающий элемент 2). Однако это устройство не позволяет бьютро нагреть поверхность металла, что обусловлено ограничением выделяемой мощности ИЭ-3& включения в цепь токоог раничивающего элемента, использования для высокочастотного нагрева только лишь разрядного импульса тока конденсатора, ограничения мощности выпрямителя. Кроме того, это устройство не позволяет осуществлять воздействие давлением из-за того, что отсутствует элемент, обеспечивающий создание кратковременно действующего давления. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому 5шляется устройство для нагрева, содержащее источник питания переменного тока, выпрямитель, к которо-. му через токоограничивающий элемент подключена последсивательная цепочка, состоящая из частотоаадающего конденсатора и согласующего устройства, параллельно

которой включен разрядный управляемый тиристорный коммутатор ,37.

Недостатком известного устройства является ограничение возможности скоростного нагржа и импульсной закалки поверхности, а также импульсного термомеханического упрочнения этой поверхности.

Цель изобретения- увеличение вьщеляемой МО1Щ1ОСТИ и воздействие на нагретую поверхность сил импульсного магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что универсальное устройство для импульсной тепловой обработки, содержащее источник питания переменного тока, к которому подсоединен выпрямитель с токоограничивающим элементом, последовательную цепочку, состоящую из частотозадающего конденсатора и согласующего уст-ройства, параллельно .которой включен нагревающий разрядный управляемый ком мутатор, снабжено емкостным накопителем энергии, подключенным к выпрямителю с токоограничивающим элементом, ударньвл управляемым; разр.ядником, соединяющим емкостной накопитель с согласующим устройством, буферным конденсатором и катушкой индуктивности, параллельно включенными как между собой, так и с выcoкp.вольтным источником питания, размыкателем и нагревающим зарядиь м управляв™ мым разрядником, соеднняюп1им последовательную Цепочку через размыкатель с буферным конденсатором и импульсным разрядным управляемым коммутатором, соединяющим емкостный накопитель с нагревающим зарядным разрядниксш и последовательной цепочкой, а нагревающий разряд{1ый управляемый коммутатор пред- ставляет собой разрядник, при этом между электродами каждого из нагревающих разрядников размещен в диэлектрическом диске, вращающемся вокруг своей оси, по крайней мере, один инициирующий электрод выступающие торцы которого образуют зазор с электродами разрядника.

Емкостный накопитель и ударный управляемый разрядник, соедин пощйй емкостной накопитель с согласующим устройствoм, обеспечивают воздействие на нагретый поверхностный слой металла давлеюгя импульсного магнитного поля. Нагревающий зарядный управляемый разрядник позволяет использовать дпя высокочастотного нагрева зарядными импульс тока частотозадаюшего конденсатора, что увеличивает мощность в нагрузке . Использование высоковольтного источника питания увеличивает вьщеляемую мощность, способствую

увеличению скорости нагрева. Подключение к источнику питания буферного конден сатрра и специальное исполнение разрядного и зарядного- нагревающих разрядников увеличивают мощность в нагрузке, обеспечивая высокую скорость нагрева. Импульсный разрядный коммутатор позво-, ляет вьщелить энергию, накопленную в емкостном накопителе, за время, обеспечивающее отсутствие теплоотвода с поверхности нагретого металла в его середину, высокочастотными импульсами .тока. Параллельное соединение индуктивности с буферным конденсатором облегчает работу источника питания в результате ограничения емкостного тока.

На фиг, 1 показана электрическая схема устройства} на фиг. 2 г« 3 - импульсы тока, обеспечивающие нагрев поверхности металла.

Устройство содержит высоковольтный источник 1 питания переменного тока, который выполнен, например, в виде псюьгша-i ющего высоковольтного трансформатора, подключенного к сети переменного тока промышленной частоты. К источнику 1 питания подключен вьгарямитель 2 с токоограничивающим элементом 3, представляющим собой зарядное сопротивление i для заряда емкостного накопителя 4. К ёмкост ному накопителю 4 через ударный управляемый разрядник 5, например воздушный разрядник, подключено согласующее устройство 6, например первичная обмотка кабельного трансформатора с сердечником или же непосредственно индуктор. Устройство снабжено также буферным конденсатором 7 и катушкой 8 индуктивности, параллепьно включенньши между собой.

Согласующее устройство 6 вместе с частотозадающим конденсатором 9 образуют последовательную цепочку, параллельно которой включен нагревающий разрядный управляемый разрядник 10, а сама она соединена с буферным конденсатором 7 через нагршающий зарядный управляемый разрядник 11 и размыкатель 12. Емкостный накопитель 4 соединен с нагр ающ;им зарядным управляемым разрядником 11 через импульсный разрядный управляемый коммутатор 13, выполненный, например, с механическим управлением. Разрядный к зарадный нагреваюшие разрядники 10 и 11 выполнены каждый из двух электродов, между которыми с зазором расположен, по меньшей мере, один инициирующий электрод соответственно 14 и 15. Инициирук щие электроды 14 и 15 размещены в диэлектрических- дисках соответственно 16 и 17 так, что торцы этих электродов высту пают над диском. Диски 16 и 17 через вал 18 связаны с механизмом вращения (на чертеже не показан). Электроды разрядников 10 и 11, соединенные между собой, расположены на диэлектрическом диске 19, разделяющем зоны действия раз рядников 1Q и 11. Устройство работает следующ} М образо Диэлектрические диски 16 и 17 раскру чиваются от Механизма вращения до оборотов от сотен до тысяч об/мин. При вкпю нении источника 1 питания переменного тока буферный конденсатор 7 оказьюается под напряжением этого источника. Емкостный накопитель 4 заряжается через токоограничиваюший элемент 3 и выпрямитель 2 от высоковольтного источника 1 питания. Работа источника 1 Ш1тания об легчена тем, что ограничен емкостный ток QT включения буферного когщенсатора 7 за счет значительной величины резонанс ного сопротивления контура, образованного буферным конденсатором 7 и катушкой индуктивности. В процессе вращения диэлектрических дисков 17 и 16 при поочередном приближении инициирующих элек-рродов 15 и 14 к электродам соответствующих нагревающих зарядного и разрядного разрядников 1О и 11 происходит nooHe редный пробой рабочего воздушного проме жутка каждого коммутатора. При этом частотозадающий конденсатор 9 поочередно заряжается и разряжается через согласующее устройство 6. Каждый раз заряд конденсатора 9 идет до напряжения, близкого к мгновенному значению напряжения на источнике 1 питания, и осуществляется от буферного конденсатора 7s ко-торый является в момент заряда источником практически неограниченной мощности. Зарядные и разрядные Р5ч 11ульсы тока являрт ся мощными и имеют вид затухающей сину соиды, а их частота определяется емкое™ тью частотозадаюшего конденсатора 9. В зависимости от этой емкости (от долей до единиц микрофарады) зарядный и разрядный импульсы тока имеют частоту от десятков до сотен кГц. Импульсы тока, проходя через согласующее устройство 6, обеспечивают поверхностный нагрев металла. Поскольку мощность, выделяемая каждым импульсом тока значительна, а ее должны- скоммутировать зарядный и разрядный разрядники 1О и 11, то чтобы не псжредились при этом диэлектрические дис ки 17 и 16 пробой разрядников 11 и 1О идет между их электродами и выступающими над дисками 17 и 1в тор1шми иниш;ируюглик электродов соответственно 13 и 14, Восстановление электрической прочности каждого из нагревающих разрядников 10 и 11 происходит в паузах между их срабатьшаниями за счет удаления в процессе вращения срответствующего 1{шшиирующего, электрода от электродов нагревающего разрядника на такое расстояние, которое не допускает вторичного пробоя этого разг рядника. При этом между самими электродаь и каждого из ншреваюшнх разрядников Ю и 11 не возникает пробоя, благодаря расположению межщ 9Т1тми электродами вратцающегсся диэлектрического диска. Зоны же коммутации разрядников 10 и 11 разделены диэлектрическим диском 1Э, исключающим подсветку одного из -. разрядников 10 и 11 при работе другого. За время между концом заряда частотозадающего конденсатора 9 и. началом его следующего заряда буферный конденсатор 7, подразрядивщи11ся в процессе заряда конденсатора 9, заряжается от источника 1 питания и имеет напряжение, равное мгновенному значению напряжения на источник 1 питания. iHarpea поверхности металла до заданной температуры идет мощными высокочастотными имгг5льса ти тока (фиг. 2) за счет заряда и разряда частотозадающего конденсатора 9. Огибающая максимальных амплитуд нагревающих имп -льсов тока в процессе зарядов и разрядов конденсатора & имеет характер синусоиды тока промышленной частоты. Выделяемая мощность регулируется скоростью вращения дисков 16 и 17, т.е. частотой срабатывания разрядников 1О и 11. Регулировка отбора мощности про-ИЗВОШ5ТСЯ также выбором соответствующего числа инициирующих эпектродсю и емкостью частотозадающего конденсатора 9. Выделение необходимой для нагрева мощности высокочастотными импульсами тока, следуюигямн один за другш с высокой частотой (от сотен до тысяч импуль. сов в секунду), обеспечивается нагреваемыми разрядниками. Такая работа устройства обеспечивает скоростной нагрев поверхности металла, т. е. увеличение скорости эй счет того, что повышается выделяемая на нагрузке мощность. При срабатывании импуг ьсного разрядного управляемого коммутатора 13 энергия, накопленная; в емкостном накопителе 4, выделяется мощными высокочастотными импульсами тока от зарядов и разрядов частотозадающего конденсатора 9 (фиг. З) за короткое время {менее О, Ic) обеспечивая мгновенный (импульсный) нагрев поверхности металла до температур закалки. После импульсного нагрева следует охлаждение поверхности с высоко скоростью за счет холодной массы металла. В результате высокой скорости нагр&™ ва и Охлаждения происходит импульсная закалка поверхности металла. В случае, если энергии, накопленной в емкостном накопителе 4, не хватает для импульсного нагрева поверхности металла до температуры закалки, то перед импуль нымнагревом от емкостного накопителя 4 энергии производят скоростной нагрев от высоковольтного источника 1 питания переменного тока. При этом скоростным нагревом обеспечивают незначительный подогрев поверхности .металла (например, до ). Затем с этой температуры производят импульсный нагрев до температуры закалки от емкостного накопителя 4 за счет срабатьшания импульсного разрядного коммутатора 13, Дпя осуществления импульсного термомеханяческого упрочнения в процессе импульсного нагрева поверхности металла от емкостного накопителя 4 срабатывает ударный управляемый разрядник 5. При этом емкостный накопитель 4 энергии раз ряжается полностью на согласующее ус-рройство 6. Создающее при этом разряд интенсивное импульсное магнитное попе, воздействуя на поверхностный нагретый слой металла, упрочняет его. Формула изобретения Универсальное устройство для импульс ной тепловой обработки, содержащее источ ник питания переменного тока, к которому

.Х 7 4 подсоединен выпрямитель с токоограничиБающим элементом, поспедоватепьную цепочку, состоящую, иэ частотозадающего конденсатора и согласующего устройства, параллельно которой включен нагревающий разрядный управляемый коммутатор, о т пи. чающееся тем, что, с цепью увеличения выделяемой мощности и воздействия на нагретую поверхность сил импульсного магнитного попя, оно снабжено емкостным накопителем энергии, подключенным к выпрямителю с токоограничивающим элементом, ударным управляемым разрядником, соединяющим емкостный накопитель с согласующим устройством, буферным конденсатором и катушкой индуктивности, параллельно включенными как между собой, так и с высоковольтным источником питания, размыкателем и нагревающим зарядным управпяемьпу разрядником, соединяю шим поспедоватепьную цепочку через размыкатель с буферным конденсатором и импульсным разрядным управляемым коммутатором, соединяющим емкостный накопитель с нагревающим зарядным разрядником и последовательной цепочкой, а нагревающий разрядный управляемый коммутатор представляет собой разрядник, при этом между электродами каждого из нагревающих разрядников размещен в диэлектрическом диске, вращающемся вокруг своей оси, по крайней мере, один инициирующий электрод, выступающие торцы которого образуют зазор с электродами разрядника. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Заявка Франции № 2206644, кп. Н 05 В 5/02, опублик, 12.О7.74. 2.Патент СССР № 436498, кл. С 21 ТЭ 1/12, 29.10.70.. 3.Заявка Франции М 2296959, кп, Н 05 В 9/00, опубпик. ОЗ.О9.76.

Фиг.З