Brevet FR2320797A1 — publié le 19770311

La présente invention concerne les dispositifs pour le traitement des métaux par déformation sous l'action d'un champ magné tique impulsionnel, et a notamment, pour objet un inducteur pour le traitement d'ébauches métalliques tubulaires par la pression d'un champ magnéqle- impulsionnel. Pour le traitement des ébauches métalliques tubulaires par un champ magnétique impulsionnel, on utilise, à l'heure actuelle, trois types d'inducteurs : inducteurs à enroulement en hélice à une couchez inducteurs à enroulement à une spire et inducteurs constitués d'un enroulement multispire et d'un concentrateur du flux magnétique. Ces types d'inducteurs ont subi une longue période de mise au point dans les conditions des expériences physiques comme dans les con ditions industrielles lors du traitement des ébauches métalliques tubulaires par champ magnétique impulsionnel0 L'inducteur à enroulement en hélice monocouche est un des types les plus employés pour obtenir des champs magnétiques impulsionnels dont l'intensité dépasse loo kOe.Son enroulement est réalisé sous la forme d'un cylindre métallique continu à fraisage hélicoal. l'inducteur à une résistance mécanique assez haute et sa bobine supporte bien tant les pressions axiales que les pressions radiales Les inconvénients de l'inducteur à enroulement en hélice monocouche est la faible tension admissible sur Sa bobine moins de 10 kV), étant donné le risque diun percement de l'isolement entre les spires, et sa fabrication laborieuse, l'inducteur à une spire est largement employé pour créer des champs magnétiques puissants. Ses avantages essentiels sont sa fabrication simple et sa résistance mécanique élevée. L'inconvénient principal dudit inducteur réside dans l'affaiblissement du champ magnétique dans la zone de la fente de la spire, ce qui provoque une déformation non uniforme des ébauches tubulaires lors de leur traitement au moyen du champ magnétique impulsionnel0 L'inducteur comportant un enioulement multispire et ~un concentrateur du flux magnétique à fente radiale et à orifice axial recevant l'ébauche métallique tubulaire a une grande résistance mécanique et est facilement réglé pour l'usinage des ébauches de différents types et dimensions.Ce réglage se fait par remplacement des coussinets dans le concentrateurO L'inconvénient principal dudit inducteur sont les pertes exces sives d'énergie dues aux résistances actives et aux champs de dissi- pation produits par ltenroulement multispire et par le concentrateur du flux magnétique. L'inconvénient commun à tous les inducteurs cités réside dans la difficulté d'obtenir une fréquence de courant suffisamment haute lorsque l'inductaur est utilisé pour l'usinage des ébauches tubulaires à grand diamètre0 Ce problème est étudié en détail dans le texte qui suit, Il existe aussi un inducteur pour créer un champ magnétique impulsionnel (voir"ReibO Sei. Instr01, 1956(195),27) qui comporte une bobine constituée de conducteurs plats réalisés sous la forme de disques annulaires fabriqudspar découpage de tôles métalliques. Ces disques de la bobine sont mis en série et à cette fin chaque disque comporte un secteur déplacé par emboutissage-d'une valeur égale à l'épaisseur du disque annulaire par rapport à l'autre partie du disque. lors de l'assemblage en bobine, les disques sont isolés à l'aide de garnitures ayant la forme de disques annulaires conducteurs de courant, mais ces garnitures n'ont pas de secteurs correspondant en dimensions aux secteurs du disque déplacées par ltemboutissage.La technologie de fabrication de cet inducteur n'est pas compliquée et il a une haute résistance mécanique. Son inconvénient est la mise en série des disques annulaires, qui est la seule possible, Sn cas de traitement d'ébauches à grand diamètre, l'inductance de 11 inducteur devient très grande0 C'est pourquoi, afin d'assurer une fréquence assez haute des oscillations propres du circuit oscilla utilisé pour le traitement des métaux par le champ magnétique impulsionnel et comportant, en général, outre l'inducteur,un uncommutateur et une batterie de condensateurs, on doit réduire notablement la capacité de cette batterie.Or, ceci implique l'utilisation de batteries de condensateurs à très haute tension, afin d'assurer une réserve suffisante d'énergie. lors de l'élévation de la tension de service de la batterie de condensateurs, le risque de contournement de l'isolement dans les ensembles du dispositif et dans la bobine de l'inducteur devient plus grand, Dans l'inducteur connu, le refroidissement de la partie médiane de la bobine par transmission de la chaleudaus conducteurs alimentant l inducteur grâce à la conduction de chaleur par les conducteurs formant la bobine est rendu difficile.Donc, pour prévenir la surchauffe en régime d'impulsions de courant très fréquentes, on doit prévoir des mesures spéciales de refroidissement de la bobine0 Outre cela, aux endroits de contact des disques annulaires, des arcs électriques naissent quand la densité du courant correspondant aux champs magnétiques impulsionnels à tension dépassant 100 kOe devient grande, ce qui provoque la destruction de l'isolement et la mise hors service de la bobine de l'inducteur. L'invention a pour objet d'éliminer lesdits inconvénients de l'inducteur connue Le but de l'invention est de créer un inducteur qui ait, en comparaison de l'inducteur connu, une inductance sensiblement inférieure, les dimensions géométriques des bobines et des épaisseurs des conducteurs plats et des isolateurs étant rigoureusement les mêmes, cette réduction de l'inductance étant obtentv par changement de la forme des conducteurs plats et de leur connexion dans la bobine. Ce but est obtenu du fait que dans un inducteur pour le traitement d'ébauches métalliques tubulaires au moyen d'un champ magnétique impulsionnel, dont la bobine est constituée de conducteurs plats isolés, suivant l'invention ces conducteurs sont réalisés sous la forme d'au moins un secteur de disque annulaire courbé suivant une ligne hélicoTdale avec un pas assurant un décalage réciproque des bouts du conducteur d'une valeur égale à la longueur de la bobine, lesdits conducteurs étant assemblés de telle manière qu'ils forment une hélice à filet multiple, et leurs bouts semblables se trouvent dans un plan normal à l'axe de la bobine, ces bouts étant écartés l'un par rapport à l'autre d'un même angle. Il est avantageux de réaliser, à proximité immédiate des extrémités des conducteurs plats, du coté des diastérares-et ouÎ é- vus diX oxixteurs, des paires de sorties faisant un tout avec les conducteurs-. Il est aussi possible de fixer des paires de sorties aux ex trémités des conducteurs plats du c8té de la circonférence extérieure ou inférieure de délimitation0 Lesdites solutions permettent de réduire l'inductance de 1' inducteur jusqu'à une valeur égale à l'inductance d'un tronçon d'un conducteur tubulaire creux, tout en gardant une bonne technologie de fabrication de l'inducteur. 1' inductance maximale de l'inducteur, objet de l'inventions correspond à l'inductance d'un inducteur mono- spire dont les dimensions géométriques de la spire sont égales aux dimensions de la bobine de l'inducteur considéré. Ceci s'explique par le fait qu'une tôle métallique ne permet de fabriquer par découpage un conducteur plat que sous la forme d'une seule spire.La possibilité de fabrication d'inducteurs dont l'inductance varie dans les limites indiquées ouvre de nouvelles perspectives dans le traitement des ébauches métalliques de grand diamètre par un champ magnétique impulsionnel. L'utilisation de ces inducteurs permet de maintenir la haute fréquence nécessaire du champ magnétique impulsionnel en cas de traitement d'ébauches tubulaires à parois minces de diamètres en principe illimités. Dans ce cas, la tension de service de la batterie de condensateurs reste basse (5 à 10 kV). En pratique, ce sont les dimensions de la batterie et son coût qui limitent le diamètre des ébauches à traiter. Un des avantages essentiels de l'inducteur, objet de l'inven- tion, est la bonne évacuation de la chaleur de la bobine par conduction, par les sorties0 En comparaison de l'inducteur connu de dimensions identiques, l'évacuation de la chaleur de la bobine de l'inducteur proposé, dont la bobine est constituée, par exemple, de conducteurs plats sous forme de disquexannulaires complets, sera n2 fois plus grande (n étaSt le nombre de conducteurs plats, le meme pour les deux inducteurs). Ceci permet de ne pas prévoir un refroidissement spécial de la bobine de l'inducteur proposé. Un autre avantage de l'inducteur proposé est la faible tension sur l'isolement entre les conducteurs plats. Ainsi, par exemple, en comparaison de l'inducteur connu, l'inducteurproposé en cas de création de champs magnétiques impulsionnels de mimes amplitude et durée, a une tension sur l'isolement entre les conducteurs plats n fois plus faible (de mimez on suppose l'égalité des dimensions géométriques des bobines des inducteurs, des dimensions constructives des conducteurs plats et des isolateurs formant ces bobines B'invention ressortira mieux de la description des exemples suivants de réalisation schématisés sur les dessins annexés dans lesquels -la figure 1 reEréEente une vue latérale de la bobine d'un inducteur à six filets -la figure 2 représente une vue de face de la bobine de l'inducteur à six filets -la figure 3 montre un conducteur plat réalisé sous la forme d'un disque annulaire courbé suivant une ligne hélicoidale, avec sorties disposées aux bouts de ce conducteur du c8té extérieur de la circonférence de délimitation et faisant un tout avec ce con- inducteur -la figure 4 représente un isolateur placé entre les conducteurs ; -la figure 5 représente l'inducteurassemblé, en coupe, L'in- ducteur proposé pour le traitement des ébauches métalliques tubulaires par un champ magnétique impulsionnel, comporte une bobine constituée de conducteurs plats 1 (figure 1,2), par exemple en cuivre.Le conducteur plat 1 est réalisé sous la forme d'un disque annulaire à fente radiale dont les bouts ont des sorties 2 du côté de la circonférence extérieure délimitant le disque annulaire, Au cas où l'inducteur sert à traiter des ébauches métalliques tubulaires par un champ magnétique impulsionnel en effectuant leur déformation suivant le rayon à partir de l'axe, l'inducteur doit se trouver à l'intérieur de ces pièces, Alors, les sorties 2 des conducteurs plats 1 doivent etre disposées du coté de la circonférence intérieure délimitant le disque annulaire, Il est clair que dans ce dernier cas, les sorties 2 peuvent faire un tout avec les conducteurs plats 1 seulement si l'inducteur a un grand diamètre. Lorsque le diamètre de l'inducteur est petit, les sorties 2 peuvent être fabriquées séparément pour être soudées ensuite aux conducteurs plats 1. Sn général, lors de la fabrication de l'inducteur, les sorties sont courbées de façon à former un angle droit avec le plan du conducteur 1 afin de rendre plus commode l'assemblage de l'in- ducteur et sa connexion aux conducteurs d'alimentation. les conducteurs plats 1 peuvent être fabriqués au maximum sous la forme d'un disque annulaire complet, Il faut noter qu'il principe les conducteurs plats 1 en forme de disque annulaire complet permettent la fabrication d'une bbbine multispire, par exemple par sondage en série des disques annulaires. Mais la technologie d'une telle bobine de l'inducteur est complique et ses qualités de service sont mauvaises par suite des caractéristiques mécaniques irrégulières du métal dans les zones de soudage, O' est pourquoi les inducteurs proposés sont assemblés à partir de conducteurs plats 1 sous la forme d'un disque annulaire ou d'au moins un secteur d'un tel disque. Ce secteur peut constituer les trois-quarts, la moitié, le quart ou autre fraction d'un disque annulaire (les variantes sont montrées par des pointillés sur la figure 3), la dimension limite du secteur du disque annulaire est égale à la longueur de la bobine de l'inducteur. La bobine de l'inducteur assemblé à partir de tels conducteurs plats 1 est équivalente à un conducteur cylindrique creux et n'a aucun intérêt pratique0 Pour évaluer approximativement les dimensions pratiques minimales du secteur de disque annulaire, on peut utiliser la formule suivante :: où i est la va1eurde l'angle limitant le secteur de disque annulaire en radians ; R est le rayon de la circonférence délimitant le secteur du disque annulaire n'ayant pas de sorties (la circonférence qui forme la surface de service de la bobine de l'inducteur3 ;; est la longueur de l'inducteuru les dimensions des conducteurs plats 1 réalisés sous la forme de secteurs de disque annulaire et choisies en se basant sur la formule (1) assurent une pression du champ magnétique impulsionnel, engendré par la bobine de l'inducteur assemblée à partir de os conlao- teurs plats 1, qui dépasse de 10 fois environ la pression du champ magnétique impulsionnel engendré par les conducteurs d'alimentation de l'inducteur.Dans ce cas, on suppose que les conducteurs d'alimentation ont la forme d'un tube dont les diamètres extérieur et intérieur sont égaux aux diamètres correspondants de la bobine de l'inducteur0 Pour être assemblés en une bobine, les conducteurs plats 1 sont courbés suivant une ligne hélicoidale avec un pas qui assure le décalage des bouts du conducteur l'un par rapport à l'autre d'une valeur égale à la longueur de la bobine (figure 3). Entre les conducteurs plats 1 sont placés des isolateurs 3 (figures 1,2,4,5,) ayant la même forme que les conducteurs plats 1 à l'exception des zones correspondant aux sorties 2, les isolateurs étant obligatoirement dépourvus de telles zones Les isolateurs 3 sont découpés dans des feuilles plates, par exemple des feuilles de stratifié en fibre de verre. Les conducteurs plats 1, avec ou sans sorties 2, sont assemblés avec les isolateurs 3 en une structure hélicoidale à filet multiple (figures 1 et 2). Les bouts semblables des conducteurs plats 1 et des isolateurs 3 sont écartés l'un de l'autre suivant la circonférence d'un mêne angle, Pour réaliser l'assemblage de l'inducteur, les sorties 2 sont courbées de façon à former un angle droit avec le plan du secteur correspondant du disque annulaire (figure 5). L'inducteur assemblé est représenté sur la figure 5 où les conducteurs plats 1 avec les sorties 2 et les isolateurs 3 sont entourés d'un isolateur extérieur 4, les embouts étant recouverts par des rondelles isolantes 5. Ces dernières sont serrées par des rondelles coniques métalliques 6. Sur la surface extérieure de l' isolateur extérieur 4 est disposé un écran 7 réduisant la charge électrodynamique. Une ébauche métallique tubulaire 8 est placée à l'intérieur de l'inducteur. Les sorties 2 sont recourbées vers les rondelles coniques 6, auxquelles elles peuvent etre soudées. Dans cette conception de l'inducteur, les conducteurs venant d'un générateur de courant impulsionnel non représentés sur les dessins peuvent être réalisés sous la forme de tubes ou de barres plates à orifices coniques pour entrer en contact avec les sorties 2 de l'inducteur0 Avant de procéder au travail, l'inducteur est relié aux conducteurs d'alimentation. A l'aide de ces conducteurs de courant on réalise sa précompression axiale (par exemple, à l'aide de boulons de serrage), La compression axiale permet d'obtenir un bon contact des sorties 2 avec les conducteurs d'alimentation venant du générateur de courant impulsionnel, ce qui améliore les conditions de travail > la bobine0 L'inducteur travaille de la façon suivante.Les sorties 2 sont attaquées par un courant impulsionnel issu du générateur de courant impulsionnel0 Ce courant circulant dans les conducteurs plats 1 engendre autour d'eux un champ magnétique impulsionnel qui induit dans l'ébauche tubulaire 8 et dans l'écran 7 réduisant la charge électrodynamique des courants de sens opposés.La pression du champ magnétique impulsionnel apparaissant alors et concentrée entre les conducteurs plats I et l'ébauche 8 déforme cette dernière radical8~ nient vers l'axe de la pièce brute 8o La pression du champ magnétique impulsionnel, concentrée entre les conducteurs plats 1 et l'écran 7 réduisant la charge électrodynamique, diminue partiellement la réaction des conducteurs 1 sur les efforts dus à la déformation de l'ébauche 8, ce qui diminue la charge mécanique agissant sur l'- isolateur 4o La chaleur dégagée dans les conducteurs plats 1 est évacuée à travers- les sorties 2 vers les conducteurs d'alimentation dont le refroidissement (par exemple, par eau) ne pose pas de problème. On sait que la transmission de la chaleur par conduction par un conducteur est proportionnelle à la surface de la section de ce conducteur 1 et inversement proportionnelle à sa longueur, C'est pourquoi la transmission de la chaleur à travers un court conducteur à grande section transversale sera plus intense qu'à travers un long conducteur à faible section transversale. A titre d'exemple on peut comparer la résistance au courant thermique de la bobine, assemblée à partir de conducteurs plats 1, d'un inducteur à six filets monospire(c'est-à-dire d'un inducteur dont le conducteur plat 1 est réalisé sous la forme d'un disque annulaire) avec la même résistance de l'inducteur à filet simple à si pires correspondant. On suppose, comme dans les cas précédents, l'égalité des dimensions géométriques des bobines des inducteurs, des épaisseurs des disques annulaires et des isolateurs formant les bobines0 Il est facile de comprendre que dans l'inducteur connu le courant thermique chemine à tour de rôle à travers tous les conducteurs plats 1, c'est-à-dire quela longueur totale du conducteur équi valent est égale à 6b, où b est la longueur moyenne d'un conducteur plat. La section du conduteur équivalent est égale à la section du conducteur plat réel que l'on désigne par S. le refroidissement de l'inducteur connu par le procédé examiné ne peut se faire qu'à travers une paire de sorties 2. Dans l'inducteur proposé les conducteurs plats 1 sont mis en parallèle pour laisser passer le courant de chaleur, ctest-à-dire que la longueur totale du conducteur équivalent reste égale à b, tandis que sa section est égale à 6So Le refroidissement de l'inducteur proposé se fait à travers douze sorties 2. Donc, la résistance à l'évacuation de la chaleur de la bobine dans l'inducteur proposéest de 36 fois plus petite que dans l'inducteur connu.Il en résulte qu'il suffit de refroidir l'inducteur par évacuation de la chaleur à travers les conducteurs plats 10 Des calculs peu compliqués permettent de démontrer que la tension sur l'isolement entre les conducteurs plats 1 de l'inducteur proposé est sensiblement inférieure à celle de l'inducteur connu En supposant qu'il faille créer des champs magnétiques impulsionnels à amplitude H identique et à une même fréquent à l'aide d'un circuit oscillant la laformule suivante est alors juste où U1, T1 sont respectivement la tension nécessaire sur l'inducteur à six pas monospire proposé et son inductance ;; 2 L2 sont respectivment la tension nécessaire sur l'inducteur à filet simple à six spires connu et son inductance. On sait que 12 2 (3) où 4 est le nombre de conducteurs plats (dans le cas considéré 4, 6) En substituant (3) dans (2), on obtient après transformations En tenant compte du fait que le nombre d'isolateurs 3 suivant la longueur de la bobine est égal dans les deux cas, on aboutit à la conclusion que la tension sur un isolateur 3 dans la bobine de l'inducteur proposé est fois plus petite que dans l'inducteur connu. Ce fait a une importance pattinulière pour l'augmentation de la durée de service de l'inducteur. L'inducteur, objet de l'invention, a été essayé durant trois ans pour réaliser le soudage par champ magnétique impulsionnel d' ébauches tubulaires en métaux lourds. On a réalisé la déformation de tubes en cuivre et en acier à parois épaisses de 1 à 2,5 mm et d'un diamètre de 30 à 130 mm. La bobine de l'inducteur était en cuivre. L'inducteur pour le traitement d'ébauches jusqu'à 50 mm de diamètre a été essayé tant avec des conducteurs plats réalisés sous la forme de disques annulaires complets, qutavec des secteurs égaux à 0,6, 0,75, 0,5 du disque annulaire complet. le nombre de conducteurs variait de 6 à 12.L'inducteur pour le traitement d'ébauches jusqu'à 130 mm de diamètre n'a été fabriqué qu'avec des secteurs égaux à 0,33 du disque annulaire, le nombre choisi de conducteurs plats était de 18o La tension sur les batteries de condensateurs ne dépassait pas 5 kv. Les caractéristiques d'utilisation des inducteurs se sont révélés excellentes0 Les inducteurs supportaient des courants jusqu'à 30106A sans endommagements notables. Il convient de flotèr.-que même dans le cas de champs magnétiques impulsionnel9 de grande intensité, c'est-à-dire dans lesquels le cuivre commence à couler et les conducteurs plats se déforment , aucun percement de l'isolement entre les conducteurs plats n'a été observé, Ceci est dû essentiellemeflt au fait qu'entre les conducteurs plats 1 il nty a pas de contact dans la sone de travail de la bobine. La mise en parallèle desdits conducteurs est réalisée à l'endroit de leur contact avec les conducteurs d'alimentation extérieurs.De ce fait même l'apparition d' arcs électriques entre les sorties 2 et les conducteurs d'alimentation, en cas de mauvais contact entre eux, ne provoque pas de percement de l'isolement 5 3entre les conducteurs plats 1 et, par conséquent, à-la mise hors service de l'inducteur. D'autre part, la technologie de l'inducteur, objet de l'invention, est simple, son coft n'est pas grand, c'est pourquoi il est économique meme dans le cas de création de champs magnétiques très puissants, c'està-dire lorsque la durée de service de l'inducteur ne dépasse pas 1000 cycles de travail. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple, En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent, R E V B N D I a A 2 I O N SO 1. Inducteur pour le traitement d'ébauches métalliques tubulaires par un champ magnétique impulsionnel, du type comportant une bobine assemblée à partir de conducteurs plats isolés entre eux, caractérisé en ce que les conducteurs sont réalisés sous la forme au moins d'un secteur de disque annulaire courbé suivant une ligne hélicodale avec un pas assurant un décalage des bouts du conducteur l'un par rapport à l'autre d'une valeur égale à la longueur de la bobine, les conducteurs étant assemblés en une structure hélicoidale à filet multiple et leur bouts semblables étant disposés dans un plan normal à l'axe de la bobine, et étant écartés d'un même angle l'un de l'autre suivant une circonférence, 2. Inducteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il y a, à proximité immédiate des extrémités des conducteurs plats, des paires de sorties disposées du c8té de la circonférence extérieure ou intérieure délimitant le conducteur, ces sorties faisant corps avec lesdits conducteurs, 3. Inducteur, conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'à proximité immédiate des bouts des conducteurs plats sont disposées, par paires, des sorties fixées à ces conducteurs du côté de la circonférence extérieure ou intérieure délimitât lesdits conducteurs plats.