CN103888015B - 用于时效处理的高密度高能电脉冲发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于时效处理的高密度高能电脉冲发生装置，包括三相整流升压电路、充电时序转换开关、n组电感隔离型Marx发生器、触发时序转换开关和脉冲输出端组件，所述三相整流升压电路输出端连接至充电时序转换开关活动端子，该充电时序转换开关的固定端与n组电感隔离型Marx发生器输入端连接，所述触发时序转换开关与n组电感隔离型Marx发生器首端连接，该n组电感隔离型Marx发生器的高能电脉冲输出端与脉冲输出端组件的铜片端子引线相连接，该铜片端子与均匀贴附于工件上，实现输出高能电脉冲传输给工件以对工件进行时效处理，以及将高能电脉冲波形信息显示存储。本发明利用多个电感隔离型Marx发生器的储能电容器并联充电、串联放电产生高能电脉冲对工件时效处理。

Description

用于时效处理的高密度高能电脉冲发生装置

技术领域

本发明涉及高密度脉冲电流消除残余应力的技术领域，具体涉及一种用于时效处理的高密度高能电脉冲发生装置。

背景技术

残余应力是由于不均匀的应力场、应变场、温度场和组织不均匀性，在变形后的工件内部保留下来的应力。残余应力的存在会降低工件的疲劳强度和使用寿命，增加应力腐蚀的作用，同时也成为工件产生变形和开裂的重要原因；工件在使用过程中发生的破坏事故，除材料本身的结构和强度因素外，大多数是由残余应力造成的。因此，需要通过各种手段来调整工件内部残余应力的分布状态，使不利的分布状态改变为有利的分布状态，从而降低并消除工件内部的残余应力。

高密度脉冲电流消除残余应力的技术是将电场能注入材料内部使带电粒子高速运动，从而实现微观激励，并最终达到消除残余应力的方法。研究表明，在引入高密度脉冲电流的过程中，材料中形成大量具有一定漂移速度的电子流定向冲击原子核，这将形成一个很大的瞬时热压应力，进而改变材料的微观结构；脉冲电流可推动位错的滑移和攀升，促进亚晶的聚合而加速再结晶的形核过程，细化再结晶微细观晶粒，并促进残余应力释放和消除。

基于高密度脉冲电流时效处理工艺简单、加热时间短、提高金属材料力学性能指标明显等优点，本发明设计一种利用高密度脉冲电流消除材料内部残余应力的高密度脉冲电流发生装置，设有：电源、整流模块，Marx发生器模块，外触发系统，脉冲测量系统模块，低压交流电经整流模块获得高压直流电，高压直流电对Marx发生器模块并联储能电容进行充电至满，外触发Marx发生器模块首端球隙火花开关使其导通，其余球隙火花开关因过压自击穿使得并联储能电容串联放电产生高密度脉冲电流，经输出端加载给负载，进而实现利用高密度脉冲电流对工件时效处理目的，脉冲测量系统的数字存储示波器显示、存储高密度脉冲电流波形。

发明内容

解决上述技术问题，本发明提供了一种利用多个电感隔离型Marx发生器的储能电容器并联充电、串联放电产生高能电脉冲对工件时效处理的高能电脉冲时效装置。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种用于时效处理的高密度高能电脉冲发生装置，包括三相整流升压电路、充电时序转换开关、n组电感隔离型Marx发生器、触发时序转换开关和脉冲输出端组件，所述三相整流升压电路将三相交流市电升压整流成高压直流电后，其输出端连接至充电时序转换开关活动端子，该充电时序转换开关的固定端与n组电感隔离型Marx发生器输入端连接，用于控制n组电感隔离型Marx发生器进行时序充电，所述触发时序转换开关与n组电感隔离型Marx发生器首端连接，当电感隔离型Marx发生器利用储能电容并联充电完成后，所述触发时序转换开关输入高电平时序击穿该n组电感隔离型Marx发生器首端的火花球隙开关，实现利用储能电容串联放电，产生高能电脉冲，该n组电感隔离型Marx发生器的高能电脉冲输出端组件与脉冲输出端组件连接，实现输出高能电脉冲传输给工件以对工件进行时效处理。

进一步的，所述三相整流升压电路包括整流电路和升压电路，升压电路将三相工频交流市电升压到预定电压获得高压交流电，高压交流电经整流电路输出高压直流电。

进一步的，所述的充电时序转换开关由两个转换开关组成，转换开关由一个活动端子和多个固定端子组成，活动端子的引线与三相整流升压电路高压直流输出端相连接，固定端子与n组电感隔离型Marx发生器的充电输入端相连接，固定端子与活动端子相接触实现充电线路导通，接触时间由外部控制，一般大于各组电感隔离型Marx发生器充电完成所需时间。具体地，采用继电器对活动端子进行控制来实现接触时间的控制，继电器得电时，活动端子与固定端子闭合，储能电容充电，充电时间一般大于各组电感隔离型Marx发生器充电完成所需时间。

进一步的，所述的电感隔离型Marx发生器由多个储能电容器构成，各组储能电容器间置有电感，火花球隙开关串联于储能电容器间，构成电感隔离型Marx发生器，对并联的储能电容器进行充电，且当外输入高电平触发电感隔离型Marx发生器首端火花球隙开关时，使其首先被击穿导通，其余火花球隙开关由于过电压被依次击穿导通，使得并联充电的储能电容器串联放电产生高能电脉冲。

进一步的，所述的脉冲输出端组件包括多个铜片端子、脉冲输出时序转换开关和脉冲波形测量电路，多个铜片端子均匀贴附于工件表面，高能电脉冲经该铜片端子传输给工件对工件不同位置进行时效处理，利用脉冲波形测量电路对高能电脉冲波形显示存储，脉冲输出时序转换开关依次将要输出高能电脉冲的铜片端子引线与脉冲测量电路引线相连接，对各铜片端子高能电脉冲波形显示存储。该n组电感隔离型Marx发生器的高能电脉冲输出端组件与多个铜片端子引线相连接，该铜片端子均匀贴附于工件上，实现输出高能电脉冲传输给工件以对工件进行时效处理，脉冲波形测量电路包括数字存储示波器，该数字存储示波器显示存储高能电脉冲波形信息，数字存储示波器可以进行显示存储波形信息。

本发明的原理是：三相工频交流市电经三相整流升压电路升压整流后获得高压直流电，高压直流电经充电时序转换开输出给n组储能电容器组，对n组储能电容器组其中一组电感隔离型Marx发生器进行充电，外输入高电平经触发时序转换开关Ⅴ依次对充电完成的电感隔离型Marx发生器N首端火花球隙开关触发端施加高电平使其被击穿导通，实现电感隔离型Marx发生器并联充电的储能电容器串联放电产生高能电脉冲，高能电脉冲对脉冲输出端组试品区工件进行时效处理，同时高能电脉冲波形由脉冲输出端组件的数字存储示波器X显示存储。

本发明通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

本发明采用将三相整流升压电路首端开关闭合后，三相工频交流市电经输入引线输入，经升压电路、整流电路后输出高压直流电，经充电时序转换开关依次对各电感隔离型Marx发生器并联储能电容器充电至满，外输入高电平经触发时序转换开关依次对充电完成的电感隔离型Marx发生器首端火花球隙开关触发端施加高电平使其被击穿导通，实现多个电感隔离型Marx发生器并联充电的储能电容器依次串联放电产生高密度高能电脉冲，高密度高能电脉冲经均匀贴附于工件的铜片端子传送给工件对工件进行均匀时效处理，脉冲输出时序转换开关依次将输出高能电脉冲的铜片端子引线与脉冲波形测量电路的输入引线相连接，实现数字存储示波器对脉冲电流波形存储记录。

附图说明

图1为本发明实施例的工作流程示意图；

图2为本发明实施例的电路结构示意图；

图3为本发明实施例的充电时序转换开关示意图；

图4为本发明实施例的触发时序转换开关示意图；

图5为本发明实施例的脉冲输出端组件示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

作为一个具体的实施例，如图1和图2所示，本发明的一种用于时效处理的高密度高能电脉冲发生装置，包括三相整流升压电路Ⅰ、充电时序转换开关Ⅱ、n组电感隔离型Marx发生器Ⅲ、触发时序转换开关Ⅴ和脉冲输出端组件Ⅳ，所述三相整流升压电路将三相交流市电升压整流成高压直流电后，其输出端连接至充电时序转换开关活动端子，该充电时序转换开关的固定端与n组电感隔离型Marx发生器输入端连接，用于控制n组电感隔离型Marx发生器进行时序充电，所述触发时序转换开关与n组电感隔离型Marx发生器首端连接，当电感隔离型Marx发生器利用储能电容并联充电完成后，所述触发时序转换开关输入高电平时序击穿该n组电感隔离型Marx发生器首端火花球隙开关，实现利用储能电容串联放电，产生高能电脉冲，该n组电感隔离型Marx发生器的高能电脉冲输出端与脉冲输出端组件的铜片端子引线相连接，该铜片端子均匀贴附于工件上，实现输出高能电脉冲传输给工件以对工件进行时效处理，以及将高能电脉冲波形信息显示存储。采用数字存储示波器显示存储高能电脉冲波形信息，数字存储示波器可以进行显示存储波形信息。

图1中，三相整流升压电路Ⅰ将三相工频交流市电升压整流输出高压直流电，高压直流电经充电时序转换开关Ⅱ对n组储能电容器组Ⅲ各组电感隔离型Marx发生器N时序充电至满，触发时序转换开关Ⅴ将外输入高电平输出到充电完成的电感隔离型Marx发生器N首端火花球隙开关G0触发端使其被击穿导通使得电感隔离型Marx发生器并联充电的储能电容器C1～Cn串联放电产生高能电脉冲经脉冲输出端组件Ⅳ对工件进行时效处理。

参考图2所示，三相整流升压电路Ⅰ包括整流电路T和升压电路S，所述三相整流升压电路的三相输入引线L1、L2、L3通过开关Q与升压变压器T相连接，升压变压器T与由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成的整流电路S相连接，整流电路S输出端a1’a2’与充电时序转换开关Ⅱ引线a1、a2相连接，a1、a2分别连接于转换开关K1、K2活动端子，固定端子b1～bn、b1’～bn’分别连接于n组储能电容器组Ⅲ各组电感隔离型Marx发生器N充电引线B1～Bn、B1’～Bn’，电阻r、电容c串联成阻容电路与限流电阻R0并联，电感G1连接于各储能电容器C1～Cn之间，火花球隙开关G2～Gn分别连接于储能电容器低电位极板与下一储能电容器高电位极板，首端火花球隙开关G0的一端接高电位点1另一端连接于电感隔离型Marx发生器N低电位极板线路，电感隔离型Marx发生器N低电位极板良好接地，触发端P1～Pn接触发时序转换开关Ⅴ固定端子d1～dn，末端火花球隙开关G一端接储能电容器Cn低电位极板，另一端接脉冲输出端组件Ⅳ铜片端子f1～fn引线e1～en，铜片端子f1～fn引线与脉冲输出时序转换开关K3固定端子引线g1～gn相连接，转换开关K3活动端子连接于脉冲测量电路输入端引线h1，脉冲波形测量电路引线首端串联一阻尼电阻Rd，数字存储示波器X远离高压试品区并置于屏蔽箱中，射频同轴电缆L串联于脉冲波形测量电路高压臂电容C1’和低压臂电容C2’之间，射频同轴电缆L外导体接地，充气标准电容器C1’连接于脉冲波形测量电路高压臂，低压臂采用独石云母电容器C2’，射频同轴电缆L首末端匹配电阻R1、R2阻值均等于同轴电缆L波阻抗Z，射频同轴电缆L较长，其Cc满足关系：C1’+C2’=C3’+Cc，数字存储示波器X连接于匹配电阻R2与电容器C3’串联电路两端。开关Q闭合后三相工频交流市电经引线L1、L2、L3输入到升压电路T，升压电路T对输入的三相工频交流市电升压到预定电压获得高压交流电，后输出到由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成的整流电路S将高压交流电整流成高压直流电，再经充电时序转换开关Ⅱ输出到n组储能电容器组Ⅲ，对电感隔离型Marx发生器N进行充电。

参考图2和图4所示，所示n组储能电容器组Ⅲ由多个电感隔离型Marx发生器N组成，每组电感隔离型Marx发生器N的电能由多个储能电容器C1～Cn存储，各组储能电容器间置有电感，火花球隙开关串联于储能电容器间，构成电感隔离型Marx发生器，对并联的储能电容器进行充电，且当外输入高电平触发电感隔离型Marx发生器首端火花球隙开关时，使其首先被击穿导通，其余火花球隙开关由于过电压被依次击穿导通，使得并联充电的储能电容器串联放电产生高能电脉冲。具体地：高压直流电经限流电阻R0对并联储能电容器C1～Cn充电，电阻r和电容c串联成阻容电路与限流电阻R0并联，利用电容c两端电压不能突变特性来限制充电电压上升率实现对储能电容器C1～Cn的平稳充电，充电完成后充电时序转换开关Ⅱ的转换开关K1、K2活动端子与固定端子断开，活动端子移向下一个电感隔离型Marx发生器的固定端子与之连接对Marx发生器并联储能电容器C1～Cn进行充电，外输入高电平经触发时序转换开关Ⅴ输入到电感隔离型Marx发生器N首端火花球隙开关G0触发端P1使其被击穿导通，此时点1由原来的u电位迅速下降至0，储能电容器C0上极板迅速变为0电位，由于电感G1隔离使得电容器C2的电压不能瞬间传输给储能电容器C1，由于电容上下极板电势差不能迅速改变使得下极板电位变为-u，点2电位为-u，点3电位为u，此时火花球隙开关G2由于2u过电压被击穿导通，点3电位变为-u，储能电容器C2上极板电位为-u，下极板电位迅速变为-2u，点4电位变为-2u，同理，火花球隙开关G3由于过电压被击穿，之后各火花球隙开关G3～Gn依次被过电压击穿导通，输出-nu高能电脉冲击穿火花球隙开关G输出给脉冲输出端组件Ⅳ。

充电时序转换开关Ⅱ由转换开关K1、K2构成，转换开关K1、K2由一个活动端子和多个固定端子组成，活动端子的引线与三相整流升压电路高压直流输出端相连接，固定端子与n组电感隔离型Marx发生器的充电输入端相连接，固定端子与活动端子相接触实现充电线路导通，接触时间由外部控制，一般大于各组电感隔离型Marx发生器充电完成所需时间。具体地，采用继电器对活动端子进行控制来实现接触时间的控制，继电器得电时，活动端子与固定端子闭合，储能电容充电，充电时间一般大于各组电感隔离型Marx发生器充电完成所需时间。

在不同的时序转换对不同电感隔离型Marx发生器N进行时序充电，该时序充电过程如下：

充电开始时间点T1，对其中一组电感隔离型Marx发生器N进行充电，充电时间为△T1，充电完成到达时间点T2,此时对下一组电感隔离型Marx发生器N进行充电，充电时间为△T2=△T1，每组的充电时间相同，充电完成即转向对下一组电感隔离型Marx发生器N进行充电，依次对各组电感隔离型Marx发生器N进行充电。

参考图4所示，转换开关K1、K2活动端子引线a1、a2分别连接于三相整流升压电路Ⅰ的高压直流输出引线a1’、a2’，其固定端子引线b1～bn、b1’～bn’分别连接于n组储能电容器组Ⅲ的充电输入端B1～Bn、B1’～Bn’，充电时序转换开关Ⅱ内部有两个转换开关K1、K2，转换开关K1、K2活动端子首先与n组储能电容器组Ⅲ中固定端子引线为b1、b1’的一组电感隔离型Marx发生器N充电，充电完成转换开关K1、K2活动端子移至下组固定端子为b2、b2’的电感隔离型Marx发生器N，其中活动端子与固定端子相连接对电感隔离型Marx发生器N的充电时间略大于储能电容器充电完成时间，依次完成n组储能电容器组Ⅲ中每一个电感隔离型Marx发生器N的充电。

参考图5所示，脉冲输出端组件Ⅳ包括铜片端子f1～fn、脉冲输出时序转换开关和脉冲波形测量电路，脉冲波形测量电路包括数字存储示波器X，该数字存储示波器显示存储高能电脉冲波形信息，数字存储示波器X可以进行显示存储波形信息。n组储能电容器组Ⅲ高能电脉冲输出端e1’～en’分别与脉冲输出端组件Ⅳ铜片端子f1～fn引线e1～en相连接，铜片端子f1～fn均匀贴附于工件表面，各电感隔离型Marx发生器N输出高能电脉冲经铜片端子f1～fn输出给工件，铜片端子f1～fn引线e1～en分别与转换开关K3固定端子g1～gn相连接，转换开关K3活动端子输出引线与脉冲测量线路长引线h1相连接，转换开关K3依次将活动端子与即将输出高能电脉冲的固定端子相连接，在分压器引线首端加一阻尼电阻Rd以与长引线h1所形成阻抗匹配，数字存储示波器X远离试品区并置于屏蔽箱中以避免中间连线对脉冲波形测量电路产生影响，采用长射频同轴电缆L从脉冲波形测量电路高压臂电容C1和低压臂电容C2之间将高能电脉冲信号引致数字存储示波器X，射频同轴电缆L外导体良好接地以屏蔽静电场对传输信号的影响，采用充气标准电容器C1作分压器高压臂电容，低压臂采用低电感结构、低介质损耗独石云母电容器C2，射频同轴电缆L采用首末两端匹配方式，R1、R2阻值均等于同轴电缆L波阻抗Z，由于射频同轴电缆L较长，其Cc满足关系： C1+C2=C3+Cc，C3比较大使得进入波到达末端时不发生反射波，数字存储示波器X显示存储高能电脉冲波形。

参考图3所示，触发时序转换开关Ⅴ活动端子引线c1接外触发高电平，固定端子引线d1～dn接电感隔离型Marx发生器N首端火花球隙开关G0的触发端P1～Pn，转换开关K0活动端子与充电完成的固定端子相接触，使得外触发高电平对首端火花球隙开关G0进行触发使其被击穿导通。

本发明技术构思：三相整流升压电路Ⅰ的首端开关Q闭合后，工频交流电经线路L1、L2、L3输入，经升压电路T升压成高压交流电，高压交流电经由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成的三相整流电路S整流成高压直流电，经充电时序转换开关Ⅱ输出给n组储能电容器组Ⅲ的各电感隔离型Marx发生器N，充电时序转换开关Ⅱ的高压直流活动端子a1、a2与固定端子b1～bn、b1’～bn’中的一组相连接对电感隔离型Marx发生器N各并联储能电容器C1～Cn充电，充电完成后转换开关K1、K2活动端子移至下一电感隔离型Marx发生器N固定端子对下一电感隔离型Marx发生器N进行充电，依次对n组储能电容器组Ⅲ中各电感隔离型Marx发生器N进行充电，每当一电感隔离型Marx发生器N充电完成后各个储能电容器C1～Cn间的开关G1断开，触发时序转换开关Ⅴ的转换开关K0活动端子与该组电感隔离型Marx发生器N首端球隙火花开关G0固定端子相接触，对首端球隙火花开关G0触发端施加高电平使其被击穿导通，其余的火花球隙开关G2～Gn由于过电压依次被击穿导通，使并联充电的储能电容器C1～Cn串联进行放电产生高能电脉冲，高压电脉冲经铜片端子f1～fn传送给工件对工件进行电脉冲时效，脉冲波形测量电路的数字存储示波器X对脉冲电流波形存储记录，

本实施例中n组储能电容器组Ⅲ的电感隔离型Marx发生器N数量一般为6个，电感隔离型Marx发生器N中储能电容器数量一般为6个，可根据负载所需高密度高能电脉冲能量大小增加，转换开关固定端子数量一般等于n组储能电容器组Ⅲ的电感隔离型Marx发生器N数目，铜片端子数量等于电感隔离型Marx发生器N数量。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于时效处理的高密度高能电脉冲发生装置，其特征在于：包括三相整流升压电路、充电时序转换开关、n组电感隔离型Marx发生器、触发时序转换开关和脉冲输出端组件，所述三相整流升压电路将三相交流市电升压整流成高压直流电后，其输出端连接至充电时序转换开关活动端子，该充电时序转换开关的固定端与n组电感隔离型Marx发生器输入端连接，用于控制n组电感隔离型Marx发生器进行时序充电，所述触发时序转换开关与n组电感隔离型Marx发生器首端连接，当电感隔离型Marx发生器利用储能电容并联充电完成后，所述触发时序转换开关输入高电平时序击穿该n组电感隔离型Marx发生器首端的火花球隙开关，实现利用储能电容串联放电，产生高能电脉冲，该n组电感隔离型Marx发生器的高能电脉冲输出端组件与脉冲输出端组件连接，实现输出高能电脉冲传输给工件以对工件进行时效处理，所述的充电时序转换开关由两个转换开关组成，转换开关由一个活动端子和多个固定端子组成，活动端子的引线与三相整流升压电路高压直流输出端相连接，固定端子与n组电感隔离型Marx发生器的充电输入端相连接，固定端子与活动端子相接触实现充电线路导通。

2.根据权利要求1所述的一种用于时效处理的高密度高能电脉冲发生装置，其特征在于：所述三相整流升压电路包括整流电路和升压电路，升压电路将三相工频交流市电升压到预定电压获得高压交流电，高压交流电经整流电路输出高压直流电。

3.根据权利要求1所述的一种用于时效处理的高密度高能电脉冲发生装置，其特征在于：所述的电感隔离型Marx发生器由多个储能电容器构成，各组储能电容器间置有电感，火花球隙开关串联于储能电容器间，构成电感隔离型Marx发生器，对并联的储能电容器进行充电，且当外输入高电平触发电感隔离型Marx发生器首端火花球隙开关时，使其首先被击穿导通，其余火花球隙开关由于过电压被依次击穿导通，使得并联充电的储能电容器串联放电产生高能电脉冲。

4.根据权利要求1所述的一种用于时效处理的高密度高能电脉冲发生装置，其特征在于：所述的脉冲输出端组件包括多个铜片端子、脉冲输出时序转换开关和脉冲波形测量电路，多个铜片端子均匀贴附于工件表面，高能电脉冲经该铜片端子传输给工件对工件不同位置进行时效处理，利用脉冲波形测量电路对高能电脉冲波形显示存储，脉冲输出时序转换开关依次将要输出高能电脉冲的铜片端子引线与脉冲测量电路引线相连接，对各铜片端子高能电脉冲波形显示存储，该n组电感隔离型Marx发生器的高能电脉冲输出端组件与多个铜片端子引线相连接，该铜片端子均匀贴附于工件上，实现输出高能电脉冲传输给工件以对工件进行时效处理，脉冲波形测量电路包括数字存储示波器，该数字存储示波器显示存储高能电脉冲波形信息，数字存储示波器可以进行显示存储波形信息。