Управление разрушением плоских проводников электромагнитным полем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 539.4:538. II

УПРАВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЕМ ПЛОСКИХ ПРОВОДНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

© B.M. HBiiiiOB

Ivanov V.M. Control of destruction of flat conductors by the electromagnetic field. The mechanisms of dcfcct conductors destruction in the electromagnetic field have been studied. The possibility of destruction process control towards diminution of the crack length as well as to its extension with the given trajectory have been demonstrated. The calculation examples of conditions in view arc given.

I. РЕЗКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

При разрушении плоских проводников электрическим током необходимым условием является наличие в пластине концентратора напряжения - надреза или трещины.

Величина тока при плавлении металла в кончике надреза [1]:

где Ь - ширина пластин, Л - ее толщина, О - коэффициент температуропроводности, А - энтальпия, <т -проводимость металла, I - длина надреза, а - радиус при его вершине.

Длительность тока для стационарного реза (адиабатический режим) [I]:

Т„,Сррау[а1 т =-------------,

т

где Г„, - температура плавления металла, Сп - удельная теплоемкость металла, р - его плотность.

Скорость реза в одномерном приближении определяется скоростью стационарного продвижения фронта плавления [2]:

3

у2/5

и = — аЫа

где у - плотность тока. Например, для малоуглеродистой стали при: 6 = I м, Л = 5-10 3 м, / = 5-10 2 м, а = 10 3 м,

О = 1,25 10 5 м*/с, I* = Ю10 Дж/м3, ст = 107 См/м, Т„= 1,5103оС,С;, = 0,5103Дж/кгоС, р = 7,8-103 кг/м3, величина тока / = 105 А, длительность т = 3-10 2 с, плотность тока у = 0,2-108 А/м2, скорость резки у = 1,4-10 3 м/с.

2. РЕЗКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Наложение на зону теплового разрушения внешнего магнитного поля, отличающегося от собственного в вершине надреза - трещины в К раз по напряженности и имеющего попутную ориентацию, меняет величину тока локального расплавления [2]:

/=ы, I-

\(1 + ЮШ

Длительность его импульса определяется как в предыдущем случае, т. е. условием стационарного реза.

При этом напряженность внешнего поля:

а скорость резки увеличивается в (К + 1) раз [3]:

/2/(л:+1) (7

62А2ст£ \а

Например, расчет параметров тока и напряженности внешнего магнитного поля при разрушении стального листа по данным предыдущего примера при К= 3, дает следующие результаты / = 0,5-Ю5 А, т = 3-10 2 с, Н = 3,6-107 А/м, V = 5,6-10'3 м/с.

3. ЗАЛЕЧИВАНИЕ ТРЕЩИН СКРЕЩЕННЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ И МАГНИТНЫМ ПОЛЯМИ

Радиус зоны токового расплавления вокруг вершины трещины при заданных размерах длин залечивания /3, и расстояния между берегами трещины Д [3]:

л=

Протекающий по пластине ток 2R!ksL

l=R\n

b_ 12 Я/к R V т

a - коэффициент поверхностного натяжения, © - краевой угол, g - ускорение земного тяготения.

Например, если залечить трещину длиной I, = 510 2 м, расстояние между берегами которой Д = 2-10 4 м, при тех же условиях резки (пример 1), добавляя при этом следующие константы: р = 7,2-101 кг/м2. Re = 770, г| = 7,4-10 3 Н-С/м2, a = 1,86 Н/м, cos© = 1, потребуются следующие параметры тока и поля:

и его длительность импульса: R2

т = ■

//„ =

Q

1 Іапряженность магнитного поля в вершине трещины: /

2RI-R

Скорость затекания расплава в полость трещины: Re

»’ш=------п.

Р г

/ = 6,5-10-А, т = 2,4-10 1 с, Н„ = 3,3-104 А/м,

V,,, = 8 м/с, Нт

4,2-106 А/м.

Таким образом, сравнивая результаты электромагнитной резки с существующими (электроэрозионной, электроннолучевой, лазерной) по энергии, затраченной на съем единицы объема материала 5-10", 810Ч, 2-Ю10 Дж/м'1 соответственно [4, 5. 6] и предложенной в работе 2,5-10* Дж/м3, получим существенную экономию энергии при более простом электротехническом оборудовании. Кроме того, локализуя внешнее магнитное поле в малом объеме порядка образовавшегося расплава в вершине трещины, возможно изменить траекторию реза [2], а изменив его направление на встречное к полю тока - залечивать трещины, получая при этом повышение механической прочности: [7].

где р - плотность жидкого металла, г - гидравлический радиус, равный отношению площади поперечного сечения канала к его смоченному периметру Д/2, Не -критерий Рейнольдса, г) - коэффициент динамической вязкости.

Напряженность внешнего магнитного поля:

Я,„=-

/

2Я1п

1 +

1

R

где Цо — магнитная постоянная.

А =

Rliln

R)

- 4avJ gp - ^-/j cos© + -^t-t|v/i

ЛИТЕРАТУРА

1. Головин ЮМ. и др. Механизмы разрушения металлов с трещинами под действием электромагнитного поля // Физика и химия обработки материалов. 1983. № 6. С. 64-70.

2. Финкель В. М. и др. Электротермическая резка листового металла электромагнитным полем // Физика и химия обработки материалов. 1985. № I. С. 13-19.

3. Финкеяь В. М. и др. Залечивание трещин в материалах скрещенными электрическим и магнитным полями // Проблемы прочности. 1983. №4. С. 18-30.

4. Лившиц А.Л. и др. Электроимпульсная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1967. 295 с.

5. Рыкалин НМ. и др. Основы электроннолучевой обработки материалов. М.: Машиностроение, 1978. 239 с.

6. Рыкспин НМ. и др. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1978. 296 с.

7. Головин ЮМ. и др. Влияние электрического тока на прочность стальных пластин с концентраторами напряжений // Проблемы прочности. 1984. № 2. С. 24-30.