Прочные и лёгкие конструкции всегда актуальны, в особенности при строительстве космических аппаратов. Одной из доступных технологических операций, позволяющих получать такие конструкции, является магнитно-импульсная сварка. Это процесс соединения деталей за счёт их высокоскоростного соударения, при котором одну из деталей ускоряют импульсным магнитным полем. Путём регистрации касания деталей в данной работе исследован профиль подвижной детали непосредственно перед соударением в эксперименте, аналогичном магнитно-импульсной сварке пары тонкостенных стальных труб.

Введение

Идея создания прочных и лёгких конструкций всегда привлекала интерес, особенно в космонавтике, где масса играет одну из ключевых ролей. Есть материалы, которые невозможно сварить обычными методами. Именно здесь может пригодиться магнитно-импульсная сварка.

Такая сварка происходит при высокоскоростном соударении деталей, которые разгоняются с помощью сильных импульсных магнитных полей, возникающих при пропускании тока в соленоиде. Процесс происходит быстро, за время порядка десятков микросекунд. Тем не менее, за это время подвижная деталь успевает приобрести кинетическую энергию, которая быстро и локально выделяется в области соударения деталей, чего оказывается достаточно для соединения материалов.

Возможности такой сварки превосходят традиционную при соединении тонкостенных труб, особо трудносвариваемых сталей, а также разнородных материалов, таких, как сталь и алюминий между собой. Кроме того, магнитно-импульсная сварка позволяет создать высококачественные, прочные и не подверженные коррозии сварные швы. Конструкции сваренные с помощью такой сварки герметичные и вакуумноплотные; в авиакосмической технике они могут использоваться при сборке рам, тяг управления, при запрессовке рубашки охлаждения в корпус камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя.

В эксперименте сварка проводилась над телескопической парой труб, где в движение приходит внешняя труба, в которой создаются токи, противоположно направленные токам в соленоиде. Эта труба с огромной скоростью ударяется о внутреннюю трубу, которая остается неподвижной.

Поскольку данный процесс крайне сложен для моделирования и слишком быстр для наблюдения, требуется более детальное его экспериментальное изучение. Таким образом, в каком-то смысле, это может послужить задачей науки и поможет внедрить магнитно-импульсную сварку в производство. Магнитно-импульсная сварка перспективна для более быстрого и дешевого крупносерийного производства, кроме того, еще и более экологичного.

Так, целью данной работы является экспериментальное исследование процесса соударения между деталями. 

Для реализации этой цели поставлены следующие задачи:

  1. проведение эксперимента и оценка скорости фронта контакта между соударяющимися деталями; скорости подвижной детали в момент удара;
  2. изучение полученных данных и вынесение предположения о профиле поверхности подвижной трубы незадолго до соударения.

Гипотеза: Предполагается, что первым придет в движение торец трубы, поскольку именно там меньше прочность. И как следствие, торец ударится о неподвижную деталь первым.

Теоретическая часть

Контактный метод 

Метод определения профиля подвижной поверхности и измерения скорости контактного пятна основан на описанном Андреем Андреевичем Дерибасом контактном способе (рис. 1). В момент удара подвижной и неподвижной деталей осциллограф регистрирует замыкание контактов. Рис.1. Схема контактного метода Рис.1. Схема контактного метода

В применении к цилиндрической паре труб этот метод будет иметь недостаток, связанный с тем, что по ступенчатому возрастанию напряжения на осциллографе невозможно будет определить, какой именно участок подвижной трубы в каждый момент сталкивается с неподвижной трубой. Вышеописанный способ был модернизирован таким образом, чтобы регистрировать касание деталей в семи точках независимо. Принципиальная схема для такого измерения показана на рис. 2. 

Рис.2. Схема цепи контактного датчика 

Цепь состоит из семи одинаковых звеньев. Каждое звено содержит резистор сопротивлением R = 1 МОм, один резистор сопротивлением r = 50 Ом, конденсатор с емкостью C = 0,5 мкФ и ключ. Все конденсаторы заряжаются от источника тока с напряжением U = 20 В через общий резистор R = 1 МОм. До замыкания ключей конденсаторы заряжаются и поддерживаются заряженными от источника напряжения. Характерное время зарядки конденсатора   τ1 = (2R + r) *C. При заданных параметрах ёмкостей и сопротивлений это время ( τ1) составляет 1 секунду.  Через некоторое время происходит замыкание «ключей», которыми служат контактные кольца и подвижная труба, а импульсы напряжения, появившиеся в результате этого на каждом из резисторов r, регистрируются осциллографами. Конденсаторы С разряжаются через резисторы r с характерным временем τ2 = r*C = 25 мкс, при этом наибольший интерес представляет момент начала их разряда. В это время на осциллограммах видны отрицательные фронты напряжения. Их длительность составляет 20 нс. Это значение во много раз меньше длительности разряда, что позволяет регистрировать моменты замыкания с хорошим временным разрешением.

Экспериментальная часть

Основное оборудование 

Эксперимент осуществляли в Институте электрофизики УрО РАН в лаборатории прикладной электродинамики.

Оборудование, использованное для проведения эксперимента:

  • Генератор импульсных токов
    Представляет собой конденсаторную батарею ёмкостью 425 мкФ и максимальным зарядным напряжением 25 кВ, нагруженную на одновитковый соленоид.
  • Соленоид
    После коммутации батареи на соленоид в нём протекает разрядный ток, который и создаёт необходимое магнитное поле.
  • Пояс Роговского - для измерения силы тока
  • Два цифровых осциллографа - для регистрации сигналов
  • Телескопическая пара труб
    Внешняя труба, приводимая в движение магнитным полем, имела диаметр 27 мм и толщину стенки 1 мм. А внутренняя труба, неподвижная и принимающая удар, – диаметр 23 мм и толщину стенки 1,5 мм
  • Система контактных датчиков

    Рис.3. Общая схема измерения

Система датчиков

Изготовление системы датчиков (рис. 4) мы осуществляли следующим образом. Контактные кольца были выполнены из фольгированного текстолита. Толщина каждого кольца составляла 1,54 мм.

Рис.4. Чертеж деталей

К каждому кольцу был подведён провод.Провода от каждого кольца были припаяны к печатной плате. (Рис.5.)

Рис.5. Внешний вид датчика

Заключение

Результаты эксперимента.

Амплитуда разрядного тока составила 800 кА. Период около 30 мкс.

Рис.6. Осциллограммы напряжений с пояса Роговского и двух осциллографов

На осциллограммах видны семь графиков "провала" напряжения, означающие появление контакта между одним из колец и подвижной трубой, и отличающийся от всех график, напоминающий синусоиду - график производной силы тока.

На графике (рис. 7) приведены в одних осях напряжения с каждого из семи контактных колец, что позволяет найти разницу во времени между установлениями контактов на разных частях детали, а также последовательность замыканий.

Рис.7. Напряжения с контактных колец

Обработка данных проведена в соответствии с таблицей 1.

№ кольца    Δt, мкс    vi ср, м/с    vi кон, м/с    δi, мкм    vc, км/с   
1 7,038 142 284 15 19
2 6,986 143 286 0 -
3 7,018 142 285 9 48
4 7,024 142 285 11 256
5 7,054 142 284 19 51
6 7,222 138 277 65 9
7 7,552 132 265 150 5

Таблица 1. Экспериментальные данные
(
Пояснения к таблице: Δt – время от первого пика производной тока; Vi ср – средняя скорость стенки трубы; vi кон – конечная скорость стенки трубы, Vc – скорость контактного пятна а каждом кольце.)

Скорость контактного пятна vc рассчитана по формуле:

Конечная скорость vi кон указана в предположении равноускоренного движения стенки подвижной трубы. На рис. 8 показан расчётный профиль подвижной трубы в момент касания её стенкой первого по времени кольца (К2). В качестве зазора на рисунке выступает расстояние, рассчитанное по формуле:

δi = vi кон*(Δt – t2).

Рис.8.Расчётный профиль детали в момент соприкосновения второго кольца с трубой

Первым столкнулся с контактным кольцом участок трубы вблизи ступеньки. Это можно объяснить с одной стороны концентрацией тока и возрастанием магнитного поля (и ускоряющей трубу силы) вблизи кромок соленоида. С другой стороны, это можно объяснить проникновением магнитного поля внутрь подвижной трубы вблизи её торца и, как следствие, снижение результирующей силы, ускоряющей трубу.

Выводы.

Вопреки гипотезе, первым столкнулся с контактным кольцом не торец трубы, а часть её вблизи ступеньки. Сравнение разгонного зазора (1 мм) и наибольшей разницы в радиусе подвижной трубы в момент удара (0,15 мм) позволяет сделать вывод о том, что стенка трубы движется практически параллельно оси вращения. Такой характер движения облегчает задачу проектирования деталей для магнитно-импульсной сварки, что способствует ее использованию на производстве.

Список литературы

  1. Дудин А.А. Магнитно-импульсная сварка металлов. // М.: «Металлургия», 1979, 128 с.
  2. Jung-Gu Lee, Jin-Ju Park, Min-Ku Lee, Chang-Kyu Rhee, Tae-Kyu Kim, Alexey Spirin, Vasiliy Krutikov, Sergey Paranin. End-closure joining of ferritic-martensitic and oxide-dispersion strengthened steel cladding tubes by magnetic pulse welding. Metallurgical and Materials Transactions A: Volume 46, Issue 7 (2015), P. 3132-3139.
  3. Krutikov V.I., Koleukh D.S., Spirin A.V., Paranin S.N., Kaigorodov A.S., Ivanov V.V. Galvanized steel pipe joining features under magnetic pulse welding. Известия ВУЗов. Физика. 2016 Т 59 № 9/3 – С. 5 – 8.
  4. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом // Новосибирск: Наука, 1972 г., 188 с.
  5. Зевеке Г. В., Ионкин П. А., Нетушил А. В., Страхов С. В. // Основы теории цепей: Учебник для вузов.– 5-е изд., перераб.– М.: Энергоатомиздат,1989.– 528 с. ил.
Подписка на новости
Контакты

Адрес: г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка 145, к. 1119 (на карте)

Тел.: +7 (343) 355-93-88

info@cosmoport.club