13-5. Импульсная сварка
Эти строки я пишу авторучкой с пером из нержавеющей стали. А наконечник пера сделан из особо твердого и износоустойчивого сплава. Наконечник приварен к перу методом ударной, или, как ее еще называют, импульсной сварки. Сварочный аппарат, при помощи которого изготовляются теперь перья с твердыми наконечниками, был построен автором впервые в 1934 г. Аппараты импульсной сварки могут служить еще одним примером преобразования мощностей и времен действия.
В таком импульсном сварочном аппарате имеется конденсаторная батарея — электрическая емкость, которая заряжается от сравнительно маломощного источника постоянного тока и постепенно накапливает энергию. Затем в течение очень короткого времени — в тысячные или даже в десятитысячные доли секунды — конденсаторы разряжаются и бросают импульс тока большой силы через место сварки (рис. 13-4). Мощность разрядного импульса превышает мощность зарядного тока в сотни или даже тысячи раз.
Можно запасать электроэнергию для сварки не только в конденсаторах, но и в катушках (трансформаторах, дросселях), как это происходит в индукционной катушке в системе автомобильного зажигания. Можно бросать энергию из «запасителя» (емкости или индуктивности) непосредственно на свариваемое место или через промежуточный трансформатор. Существуют различные типы аппаратов импульсной сварки. Они строятся на мощности от нескольких ватт — для сварки тонких проволочек — и до десятков киловатт — для сварки крупных деталей.
Рис. 13-4. Импульсные сварочные аппараты.
Вверху — аппарат высоковольтной конденсаторной сварки. При разряде конденсатора во вторичной обмотке сварочного трансформатора возбуждается импульс тока, который проходит через электроды и свариваемые детали. В месте сварки выделяется основная часть энергии, накопленной в конденсаторе
Внизу — аппарат с запасанием энергии в индуктивности. В магнитном поле сварочного трансформатора накапливается энергия. При размыкании прерывателя и прекращении тока в первичной обмотке возникает импульс тока во вторичной обмотке сварочного трансформатора. Энергия, накопленная в магнитном поле сварочного трансформатора, перебрасывается в место сварки, где производит нагревание до высокой температуры.
Благодаря очень короткому времени импульсной сварки развиваемое тепло не успевает распространиться далеко от свариваемого места, не происходит окисления окружающего металла, и качество сварного шва получается высоким. Импульсным методом можно сваривать разнородные металлы, а также соединять между собой детали разного сечения — например, сваривать тонкие проволочки с массивными частями. Импульсная сварка применяется в ряде отраслей промышленности.
Аппараты импульсной сварки стоят дороже, чем сварочные аппараты переменного тока нормальной частоты 50 Гц, питаемые от общих силовых электросетей без промежуточных «запасителей» энергии. Это несколько ограничивает распространение метода импульсной сварки.
Импульсные сварочные аппараты — это относительно простые преобразователи мощностей и времен действия. Более сложные схемы применяются для получения сверхвысоких электрических напряжений.
13-6. Генераторы молний
Еще 200 лет тому назад, в годы, когда были изобретены первые электрические конденсаторы — лейденские банки, знаменитый американский ученый Бенджамен Франклин предложил для получения высоких напряжений заряжать несколько конденсаторов, соединенных параллельно, а затем при разряде пересоединять их последовательно, чтобы напряжения всех конденсаторов складывались. Французский физик — изобретатель свинцовых аккумуляторов Гастон Планте строил в прошлом веке такие конденсаторные преобразователи с вращающимися переключателями. При помощи прибора Планте можно было повысить напряжение маленькой аккумуляторной батареи до нескольких тысяч вольт.
Профессор университета Шанявского в Москве В. К. Аркадьев в 1914 г. придумал производить переключение конденсаторов с параллельного соединения на последовательное при помощи искровых разрядников (шаров, разделенных воздушным промежутком). Это изображение очень упростило конструкцию конденсаторных преобразователей напряжения и позволило применять их для получения сверхвысоких напряжений в несколько миллионов вольт.
Изобретение профессора Аркадьева — «искровой конденсаторный трансформатор», как он сам его назвал, или «каскадный импульсный генератор», как принято называть его теперь, — получило широкое распространение во всем мире.
Как это часто бывает с полезными и важными изобретениями, нашлись еще претенденты на авторство. В Германии в 1923 г. заявил патент на подобное устройство Эрвин Маркс, в США в 1929 г. — Пик. Для подкрепления приоритета вводились новые наименования. Так, например, группа изобретателей в США в 1948 г. предложила для подобных устройств название «капа- цитрон».
В настоящее время импульсные источники высокого напряжения с каскадом конденсаторов применяются на электротехнических заводах и в лабораториях для испытания изоляторов всевозможных высоковольтных аппаратов. Напряжения многих таких лабораторных установок вполне могут соперничать с напряжениями естественных разрядов молний. В лабораториях получают искры длиною в несколько метров при помощи разряда в миллионы киловатт.
В 30-х годах импульсные источники высокого напряжения применялись для ускорения заряженных частиц — электронов и ионов — при изучении ядерных реакций. С импульсными ускорителями был также проведен ряд исследований по стерилизации пищевых продуктов, лекарств и других веществ потоками быстрых электронов.
Широкое распространение получили в последние годы различные методы электрической трансформации мощностей и времен действия в электротехнике и радиотехнике.
В газодинамических исследованиях искровой разряд применяется для получения в газе мощных ударных волн, распространяющихся со сверхзвуковой скоростью. Электрическая энергия накапливается в большой конденсаторной батарее или катушке, а затем разряжается на искровой промежуток, который находится в прочной камере. Искра, проскакивающая между электродами, нагревает окружающий газ до очень высокой температуры, стремительное расширение газа дает ударную волну.
Искровые разряды — электрические удары нашли различные технологические применения.
Рис. 13-5. Импульсный источник высокого напряжения с каскадом конденсаторов.
13-7. Импульсная электротехника
Когда искра проскакивает между металлическими электродами, то электроды изнашиваются, поверхность их распыляется, оплавляется. Можно так подобрать условия, что изнашиваться будет преимущественно один из электродов. Это явление используют для механической обработки самых твердых металлов и сплавов. Расход энергии при электроискровой обработке на единицу снятого металла значительно больше, чем при обработке резанием. Для массовых технологических процессов, связанных со снятием значительных количеств металла, электроискровая обработка не применяется. Но в тех случаях, когда надо сделать небольшие отверстия, щели, выемки в очень твердых материалах (закаленной стали, изделиях из карбида вольфрама и т. д.), электроискровая обработка — один из наиболее подходящих методов.
Если электрическая искра проскакивает между электродами в воде, то образующийся при прохождении искры канал ионизированного раскаленного газа резко раздвигает окружающую воду — получается электрогидравлический удар. Это явление было открыто в конце прошлого века, но практическое применение стало находить только в самые последние годы. Электрогидравлическим ударом можно дробить горные породы любой крепости. В СССР строятся дробилки для получения таким путем гранитного щебня. Расход электроэнергии на тонну измельченного гранита не выше сотни киловатт-часов, расход электродов (они могут быть выполнены, например, из стали;) не более нескольких граммов на тонну.
Большинство типов радиолокаторов — это устройства импульсного, ударного действия. Средняя мощность радиолокационных генераторов бывает порядка нескольких сотен киловатт, самое большее — 1 000 вт. Но импульсная мощность — мощность удара — достигает иногда десятков мегаватт.
Импульс электромагнитных волн, излученный радиолокационным передатчиком, отражается от удаленных объектов и возвращается к приемнику радиолокатора. Чем меньше длительность импульса, тем меньше и его протяженность в пространстве и тем более мелкие детали объекта способен различать радиолокатор — тем выше, как говорят, его разрешающая способность по дальности.
В самолетных радиолокаторах длительность импульса электромагнитных волн, зондирующих пространство, бывает меньше одной микросекунды. В локаторах дальнего действия импульс излучения длится 10 и более микросекунд. В современных радиолокаторах с компрессией импульса длительность импульса равна сотням микросекунд.
Радиолокация не ограничивается земными пределами. В 1928 г. академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси произвели расчеты отражения радиосигналов от небесных тел. Они вычислили, какими должны быть импульсы, чтобы осуществить локацию Луны. В 1946 г. был построен радиолокатор, при помощи которого получили отражение от Луны. Длительность импульса была взята в этом случае около 0,1 сек, т. е. в тысячи раз больше, чем при локации земных объектов. Локация Луны осуществлена много раз. Осуществлена локация планеты Венера. Обсуждается вопрос о локации других планет и Солнца. Таким методом предполагается получить ряд новых данных о строении их верхних слоев. Для столь огромных объектов предполагается применить импульсы длительностью в несколько секунд. Пока хвост такого импульса будет вылезать из антенны радиопередатчика, голова импульса успеет умчаться на расстояние свыше миллиона километров от Земли. И соударение этого зондирующего импульса с Солнцем будет продолжаться несколько секунд. На то, чтобы долететь до Солнца, отразиться οт него и вернуться обратно к Земле, радиоимпульсу потребуется около четверти часа.
В радиолокационных установках строгие требования предъявляются к форме импульса. Годится не всякий импульс, а лишь имеющий крутой фронт и крутой спад, т. е. достаточно быстрые нарастание и спадание напряжения. Такие простые схемы запасания энергии, как в аппаратах импульсной сварки (рис. 13-4), для локаторов непригодны. Применяются более сложные резервуары энергии, обеспечивающие нужную форму импульса.
Часто запасание производится при помощи цепочки из конденсаторов и индуктивностей — так называемой искусственной линии. Такая цепочка при разряде дает импульс, кривая напряжения которого, будучи записана на электронно-лучевой трубке, имеет правильную прямоугольную форму.
Отношение длительности импульса к длительности интервала между импульсами носит название «скважности». Это число отвлеченное, неименованное. Большинство локаторов работает с такой же скважностью, что и кузнечный молот, делающий один удар в несколько секунд: длительность соударения в несколько тысяч раз меньше интервала между ударами.
Импульсные режимы работы применяются во многих типах ускорителей заряженных частиц для бомбардировки атомных ядер. Импульсами работают, например, «резонансные линейные ускорители», см. гл. 10).
Такой ускоритель представляет собой прямолинейную металлическую трубу (отсюда термин «линейный»). Внутрь трубы направляется короткая электромагнитная волна. Она создает вдоль оси сильное электрическое поле — с напряженностью до нескольких миллионов вольт на метр. Вдоль оси трубы пускается поток электронов или ионов. Этот поток многократно ускоряется электрическим полем. Чтобы согласовать скорость движения радиоволны и электронного потока, обеспечить резонанс движения (отсюда термин «резонансный»), труба делается изнутри ребристой: огибая ребра, волна замедляется до скорости, равной скорости ускоряемых частиц. В достаточно длинной трубе можно разогнать электроны или ионы до скорости в сотни миллионов вольт.
Сильное электрическое поле, ускоряющее заряженные частицы вдоль оси трубы, одновременно создает сильные токи в стенках трубы. Благодаря своей высокой частоте токи эти сосредоточиваются в тончайшем (толщиною порядка микрона) слое металла на внутренней поверхности трубы. Плотности тока получаются огромными — сотни и тысячи ампер на каждый квадратный миллиметр сечения поверхностного слоя металла, нагруженного током. Внутренняя поверхность ускорительной трубы-волновода делается с наивысшей возможной электропроводностью.
Эту трубу выполняют из наиболее электропроводных материалов: из самой чистой меди, а иногда даже покрывают ее поверхность слоем серебра или золота. Но и при самой высокой электропроводности вредные потери мощности в трубе-волноводе получаются огромными.
Потери в волноводе могут достигать многих тысяч киловатт на один метр длины. Необходимая же средняя мощность пучка заряженных частиц обычно не превышает одного — нескольких киловатт. Если включить ускорительную трубу-волновод на непрерывную работу, то к. п. д. ее составит лишь ничтожные доли процента.
Выход из этого положения в импульсном методе работы. Электромагнитная волна высокой напряженности циркулирует в ускорителе-волноводе несколько микросекунд. Затем дается пауза, длительность которой в несколько тысяч раз превышает длительность времени циркуляции волны — длительность времени высокочастотного электромагнитного удара. После паузы дается новый высокочастотный импульс — новый электромагнитный удар. Это режим с высокой скважностью. Пиковая мощность — мощность удара дается в тысячах киловатт, но средняя мощность оказывается небольшой и к. п. д. ускорителя получается высоким.
Явления удара — явления стремительного преобразования энергии — все шире применяется в современной технике и для научных исследований.
