CN114244147B - 一种用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置及方法，装置其包括电磁发生器和至少一个脉冲电场发生器；脉冲电场发生器包括一端与外部三相电源相连的总开关，总开关的另一端依次连接晶闸管移相调压电路、变压器和二极管整流电路，二极管整流电路的输出端并联有电压采样电路、内部放电电路、蓄能电容、续流二极管和晶闸管桥式输出电路；晶闸管移相调压电路的受控端连接晶闸管移相触发单元，晶闸管移相触发单元的受控端连接PI调节器；晶闸管桥式输出电路的受控端连接晶闸管同步触发单元，晶闸管同步触发单元连接主控器。本发明实现了更加完善的电磁耦合效果，减少了不必要的脉冲电流作用时间，大大节约了资源且降低了试件氧化的可能。

Description

一种用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置及方法

技术领域

本发明涉及电磁耦合领域，具体涉及一种用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置及方法。

背景技术

利用脉冲电磁场技术实现对金属材料内部微观缺陷的修复、残余应力的调控、微观结构的改变、疲劳强度的提升，从而大大延长其使用寿命，已逐渐成为行业人士关注的焦点。

就现有的脉冲电磁处理设备和处理过程，尽管引导了外场对金属材料改性处理的进展，但本身仍存在诸多问题，诸如：

(1)耦合机理不完善：

电磁复合外场处理不同于单独的电场或磁场处理，复合场技术的核心在于多场耦合。电磁耦合技术在于电场和磁场同空间同时刻作用于待处理工件；工件的性能改变不是单独磁场处理与单独电场处理效果的机械叠加，而是复合增益。现有的电磁场发生装置尽管可以做到宏观的同步，即“同时”对处理空间施加高频的磁场和电场，但由于电、磁场脉冲频率的差别，脉冲电场的瞬态性和磁场充、放磁的时间连续性等因素，导致在一次磁脉冲周期的毫秒时间内，难以确保实质上两场的同时作用，因此也就失去了耦合的意义。

(2)电磁场强度上限较低：

据现有资料显示，在一定范围内，磁场强度、电场强度越高，对材料性能的改性效果更为显著，但现有设备采用的磁、电场强度上限均较低(3T)，难以满足较大尺寸零部件的处理要求，限制了电磁外场改性技术的发展与应用。

(3)高耗能低效且致使试件氧化：

脉冲电磁场工作时，脉冲磁场处于蓄能期间时，但脉冲电场持续工作，造成资源浪费，不利于现在提倡的节能发展。另外，脉冲磁场在充磁阶段与脉冲电流不耦合，由电流做功公式Q＝I²RT可得，磁场充磁时间越长，电流做功就会产生更多的热量，因而致使试件氧化，对实验所探索的结果产生大量的误差。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置及方法解决了耦合机理不完善试件易氧化的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置，其包括电磁发生器和至少一个脉冲电场发生器；

电磁发生器，用于产生磁场；

脉冲电场发生器，用于在电磁发生器产生的磁场达到设定值时产生直流电压；包括一端与外部三相电源相连的总开关，总开关的另一端依次连接晶闸管移相调压电路、变压器和二极管整流电路，二极管整流电路的输出端并联有电压采样电路、内部放电电路、蓄能电容、续流二极管和晶闸管桥式输出电路；晶闸管移相调压电路的受控端连接晶闸管移相触发单元，晶闸管移相触发单元的受控端连接PI调节器，PI调节器连接主控器；晶闸管桥式输出电路的受控端连接晶闸管同步触发单元，晶闸管同步触发单元连接主控器；电压采样电路连接主控器；其中：

晶闸管移相调压电路，用于通过晶闸管调节外部三相电源每一相的通断，稳定进入后续部件的电压；

变压器，用于改变进入后续部件的电压值；

电压采样电路，用于采集蓄能电容两端的电压值，并反馈给主控器；

内部放电电路，用于内部放电，保护脉冲电场发生器中其余部件；

晶闸管移相触发单元，用于控制晶闸管移相调压电路中晶闸管的通断；

晶闸管桥式输出电路，用于通过控制晶闸管的通断对输出电压进行移相；

晶闸管同步触发单元，用于控制晶闸管桥式输出电路中晶闸管的通断；

主控器，用于控制晶闸管移相触发单元；用于根据电压采样电路的反馈值控制晶闸管移相触发单元。

进一步地，电磁发生器包括直流电源和聚磁螺线管；其中聚磁螺线管的磁场强度为0～9T，磁脉冲频率为0.3～2Hz，相邻两个磁脉冲的间隔时间为0.1～5秒；脉冲电场发生器的脉冲电流密度为10～3×10³A/mm²，单个电脉冲作用时间为0.01～10ms，相邻两个电脉冲的间隔时间为0.1～5秒。

进一步地，晶闸管移相调压电路包括三组结构相同的晶闸管移相调压单元，每组晶闸管移相调压单元与三相电源的一相相连；每组晶闸管移相调压单元均包括并联的谐振电路和两个晶闸管，同一个晶闸管移相调压单元中的两个晶闸管反向设置；晶闸管移相调压电路中的每个晶闸管的受控端均分别与晶闸管移相触发单元相连。

进一步地，晶闸管移相调压单元中的晶闸管均为阴极受控单向晶闸管；谐振电路包括串联的电阻和电容。

进一步地，变压器包括三个副边线圈；二极管整流电路包括三组二极管整流单元；每个二极管整流单元的输入端与一个变压器副边线圈相连；每个二极管整流单元均包括六个串联的二极管，二极管整流单元的输入端位于其第三个二极管与第四个二极管之间；三组二极管整流单元的末尾三个负极端口相连并作为二极管整流电路的正极，三组二极管整流单元的起始三个正极端口相连并作为二极管整流电路的负极。

进一步地，续流二极管的负极与二极管整流电路的正极相连，续流二极管的正极与二极管整流电路的负极相连；电压采样电路、蓄能电容和内部放电电路的两端分别与二极管整流电路的两极相连。

进一步地，晶闸管桥式输出电路由四个晶闸管输出单元通过电桥方式连接构成，由四个晶闸管输出单元构成的电桥的两个相对端点分别连接二极管整流电路的两极，另外两个相对端点分别作为正极输出端和负极输出端；

每个晶闸管输出单元均包括两个串联的晶闸管输出子单元，每个晶闸管输出子单元包括三线并联元器件，其中第一线并联元器件包括一个电阻；第二线并联元器件包括依次串联的两个电容和一个电阻；第三线并联元器件包括一个晶闸管。

提供一种用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置的发生方法，其包括以下步骤：

S1、通过电压采样电路获取蓄能电容两端的电压值；

S2、将蓄能电容两端的电压值与设定值进行比较，采用PI反馈方法生成控制信号控制晶闸管移相触发单元，直至蓄能电容获取符合设定要求的电压值；

S3、根据电磁强化处理对象的材料获取其磁场强度值B1；

S4、启动电磁发生器进行放磁，当放磁阶段的磁场强度大于磁场强度值B1时，通过晶闸管同步触发单元控制晶闸管桥式输出电路，使脉冲电场发生器对电磁强化处理对象释放脉冲电流；

S5、当放磁阶段的磁场强度衰减到磁场强度值B1时，停止脉冲电场发生器对电磁强化处理对象释放脉冲电流，结束单次电磁强化处理。

进一步地，步骤S4中使脉冲电场发生器对电磁强化处理对象释放脉冲电流的具体方法为：

通过切换不同脉冲电场发生器或通过切换不同的变压器副边在磁场强度大于B1时的放磁阶段中按照0.01～10ms的单个电脉冲作用时间、0.1～5秒的相邻两个电脉冲的间隔时间进行放电。

本发明的有益效果为：

1、控制回路通过高压端电压采样电容端电压，与设定值比较后通过PI反馈和晶闸管移相触发单元，实现预设电压的稳压控制；输出部分则通过事先设定，可以以PLC来控制对应的正向或反向的晶闸管导通输出，通过配套高速脉冲电流传感器和脉冲磁场测量仪，可实时监控设备输出的电场和磁场强度波形，以便实现电场、磁场大小的准确调控。另外脉冲电场发生源包括多个线圈，且每个线圈均可独立激发脉冲方向、脉冲宽度及峰值电压可调的脉冲电流，通过相应的控制便可以达到更佳的电场与磁场耦合效果。

2、由于本发明实现了更加完善的电磁耦合效果，减少了不必要的脉冲电流作用时间，大大节约了资源且降低了试件氧化的可能。此外，已有研究表明，高能脉冲电磁外场能更快促使金属中高能态原子运动至新的平衡位置、降低***自由能。因此本发明可在合金热处理强化、机械强化、表面强化的基础上，改善材料微观不均匀性，进一步提升金属抗拉强度、断裂韧性和疲劳强度。

附图说明

图1为脉冲电场发生器的电路结构示意图；

图2为本方法的流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置包括高速脉冲电流传感器、脉冲磁场测量仪、电磁发生器和至少一个脉冲电场发生器；

电磁发生器，用于产生磁场；

脉冲电场发生器，用于在电磁发生器产生的磁场达到设定值时产生直流电压；包括一端与外部三相电源相连的总开关，总开关的另一端依次连接晶闸管移相调压电路、变压器和二极管整流电路，二极管整流电路的输出端并联有电压采样电路、内部放电电路、蓄能电容、续流二极管和晶闸管桥式输出电路；晶闸管移相调压电路的受控端连接晶闸管移相触发单元，晶闸管移相触发单元的受控端连接PI调节器，PI调节器连接主控器；晶闸管桥式输出电路的受控端连接晶闸管同步触发单元，晶闸管同步触发单元连接主控器；电压采样电路连接主控器；其中：

晶闸管移相调压电路，用于通过晶闸管调节外部三相电源每一相的通断，稳定进入后续部件的电压；

变压器，用于改变进入后续部件的电压值；

电压采样电路，用于采集蓄能电容两端的电压值，并反馈给主控器；

内部放电电路，用于内部放电，保护脉冲电场发生器中其余部件；

晶闸管移相触发单元，用于控制晶闸管移相调压电路中晶闸管的通断；

晶闸管桥式输出电路，用于通过控制晶闸管的通断对输出电压进行移相；

晶闸管同步触发单元，用于控制晶闸管桥式输出电路中晶闸管的通断；

主控器，用于控制晶闸管移相触发单元；用于根据电压采样电路的反馈值控制晶闸管移相触发单元。

高速脉冲电流传感器和脉冲磁场测量仪分别用于测量电流大小和磁场强度，便于耦合时机的掌控。

电磁发生器包括直流电源和聚磁螺线管；其中聚磁螺线管的磁场强度为0～9T，磁脉冲频率为0.3～2Hz，相邻两个磁脉冲的间隔时间为0.1～5秒；脉冲电场发生器的脉冲电流密度为10～3×10³A/mm²，单个电脉冲作用时间为0.01～10ms，相邻两个电脉冲的间隔时间为0.1～5秒。

晶闸管移相调压电路包括三组结构相同的晶闸管移相调压单元，每组晶闸管移相调压单元与三相电源的一相相连；每组晶闸管移相调压单元均包括并联的谐振电路和两个晶闸管，同一个晶闸管移相调压单元中的两个晶闸管反向设置；晶闸管移相调压电路中的每个晶闸管的受控端均分别与晶闸管移相触发单元相连。

晶闸管移相调压单元中的晶闸管均为阴极受控单向晶闸管；谐振电路包括串联的电阻和电容。

变压器包括三个副边线圈；二极管整流电路包括三组二极管整流单元；每个二极管整流单元的输入端与一个变压器副边线圈相连；每个二极管整流单元均包括六个串联的二极管，二极管整流单元的输入端位于其第三个二极管与第四个二极管之间；三组二极管整流单元的末尾三个负极端口相连并作为二极管整流电路的正极，三组二极管整流单元的起始三个正极端口相连并作为二极管整流电路的负极。

续流二极管的负极与二极管整流电路的正极相连，续流二极管的正极与二极管整流电路的负极相连；电压采样电路、蓄能电容和内部放电电路的两端分别与二极管整流电路的两极相连。

闸管桥式输出电路由四个晶闸管输出单元通过电桥方式连接构成，由四个晶闸管输出单元构成的电桥的两个相对端点分别连接二极管整流电路的两极，另外两个相对端点分别作为正极输出端和负极输出端；

每个晶闸管输出单元均包括两个串联的晶闸管输出子单元，每个晶闸管输出子单元包括三线并联元器件，其中第一线并联元器件包括一个电阻；第二线并联元器件包括依次串联的两个电容和一个电阻；第三线并联元器件包括一个晶闸管。

如图2所示，该用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置的发生方法包括以下步骤：

S1、通过电压采样电路获取蓄能电容两端的电压值；

S2、将蓄能电容两端的电压值与设定值进行比较，采用PI反馈方法生成控制信号控制晶闸管移相触发单元，直至蓄能电容获取符合设定要求的电压值；

S3、根据电磁强化处理对象的材料获取其磁场强度值B1；

S4、启动电磁发生器进行放磁，当放磁阶段的磁场强度大于磁场强度值B1时，通过晶闸管同步触发单元控制晶闸管桥式输出电路，使脉冲电场发生器对电磁强化处理对象释放脉冲电流；

S5、当放磁阶段的磁场强度衰减到磁场强度值B1时，停止脉冲电场发生器对电磁强化处理对象释放脉冲电流，结束单次电磁强化处理。

步骤S4中使脉冲电场发生器对电磁强化处理对象释放脉冲电流的具体方法为：通过切换不同脉冲电场发生器或通过切换不同的变压器副边在磁场强度大于B1时的放磁阶段中按照0.01～10ms的单个电脉冲作用时间、0.1～5秒的相邻两个电脉冲的间隔时间进行放电。

在具体实施过程中，外部三相电源采用380B交流电，通过变压器升压、二极管整流和恒压控制，可以形成1500V或2500V的高压直流电压，并把电能存储在蓄能电容中，便于后续放电。

一个磁脉冲工作周期包含充磁和放磁两个阶段，其中充磁时长占比很大，通常充磁时间会占据90％的时间，放磁时磁场强度由0平滑增长至峰值，随后平滑下降为0(类似于半个正弦波的形状，横轴为时间t，纵轴为磁场强度B)。为了使样品处理效果尽可能显著，故在放磁阶段人为选定一固定的磁场强度值B1(通常根据被处理材料的磁性能得到)，以大于该磁场强度B1的磁场持续时间称为磁场有效作用时间(t2-t1)，本发明把该强度值作为有效磁场处理强度(在t2-t1时间段内，大于B1的磁场强度作为有效磁场处理强度)。

考虑到磁场电源为间断性放电，即一个周期内较长时间为充磁阶段，而放磁过程时间极短，为了更好地实现电场和磁场的耦合，本发明在磁场放磁时的磁场有效作用时间内(t2-t1)，同时释放通过蓄能电容蓄能后的脉冲电流，以形成瞬态脉冲电场。本发明通过精确控制脉冲磁场与脉冲电场的时间配合关系，达到瞬时强磁场与强电场共存的效果，从而实现对零部件的电磁外场耦合处理。

此外，现有设备在夹持样品时采用的是液压推动方式(采用液压缸活塞杆与电极固定，在通过电极夹持样品时，电极能够便于通入电场，同时液压活塞杆会一直挤压样品，当通电一段时间后，样品的温度会升高并软化，液压活塞杆的持续挤压会让样品变形)，通过持续提供压力来固定样品，但样品经过电磁处理时温度骤升，金属在瞬时高温下存在软化现象，此时液压持续提供压力，可能导致样品产生微小形变。本发明将液压推动方式替换为伺服电机进行驱动，通过伺服电机控制丝杠转动来驱动丝杠螺母沿着丝杠轴向移动，并可以在任意位置停留并保持，因此不会挤压样品，再配合压力传感器和红外测温仪，可在处理过程中实时监测样品的温度和夹持压力值，以加强对实验进程的监控以及避免样品因夹持因素导致形变。

采用本发明的具体电磁强化处理方式为：

若待修复的金属材料基体内部微观缺陷组态中主要以线缺陷塞积形成的局部微裂纹萌生核，则选择线圈全部激发正向脉冲电流并确定峰值电压，根据有效磁场处理时间确定激发脉冲电场线圈的个数、脉冲宽度后，启动本装置，金属材料在电磁耦合处理5-30s后，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复；

若待修复的金属材料基体内部微观缺陷组态中主要以面缺陷构成的微裂纹萌生核，选择线圈全部激发负向脉冲电流并确定峰值电压，并根据有效磁场处理时间确定激发脉冲电场线圈的个数、脉冲宽度后，启动本装置，金属材料在电磁耦合处理5-30s后，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复；

若待修复的金属材料为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以线缺陷塞积形成的局部微裂纹萌生核，选择线圈激发正负向交错脉冲电流并确定峰值电压，并根据有效磁场处理时间确定激发脉冲电场线圈的个数、脉冲宽度后，启动本装置，金属材料在电磁耦合处理5-30s后，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复。

在设备运行前，可以预先设定好脉冲电场的正负相电流、脉冲宽度及峰值电压(通过主控器上的液晶屏输入)，选定脉冲磁场的峰值磁场强度B2和有效磁场处理强度值B1。设备开始运行时，脉冲磁场和脉冲电场均处于充能状态(充磁和电容蓄能)，在磁场充磁完毕后放磁阶段开启，磁场快速升至有效磁场处理强度B1，此时，可根据实际需求(被处理材料对脉冲电场的需求)提供既定的脉冲电流。由于脉冲电流发生线圈的运行个数，以及其正负相位、脉冲宽度、峰值电压均可在全周期内进行独立调节，故此可以提供多种处理方案，现仅以三种方案为例来进行具体说明，为了更好阐述方案的实施，将运行线圈(运行线圈可以为变压器副边数或脉冲电场发生器的数量)拟定为四个，并将四个线圈依次编号为线圈1，线圈2，线圈3，线圈4。

方案一：

电磁发生器经过0.1～5s的充磁达到放磁条件，开始放磁。随着放磁达到有效磁场处理强度B后，如果磁场有效作用时间大于脉冲电流发生器所激发的单个脉冲电流脉宽的4倍，故在此磁场有效作用时间内，每个线圈均可激发脉冲区间不重合的脉冲电流以形成瞬态电场。线圈1激发正向脉冲电流，在线圈1结束后，线圈2激发正向脉冲电流，依此类推，直至线圈4激发脉冲结束，磁场强度降至B，随后磁场强度小于有效磁场强度，故而无需再进行电磁耦合，直至磁场放磁结束，进入下一个磁处理周期的充磁阶段，再次循环该过程。该方案实现了在一个磁脉冲的有效作用时间内，依次完整施加了四次正向脉冲电场，达到了电磁耦合的效果。

方案二：

电磁发生器经过0.1～5s的充磁达到放磁条件，开始放磁。随着放磁达到有效磁场处理强度B后，如果磁场有效作用时间大于脉冲电流发生器所激发的单个脉冲电流脉宽的4倍，故在此磁场有效作用时间内，每个线圈均可激发脉冲区间不重合的脉冲电流以形成瞬态电场。线圈1激发正向脉冲电流，在线圈1结束后，线圈2激发反向脉冲电流，线圈2脉冲结束后，线圈3激发正向脉冲电流，线圈3脉冲结束后，线圈4激发反向脉冲电流，脉冲电流发生器4脉冲结束后，磁场强度降至B，随后磁场强度小于有效磁场强度，故而不再进行电磁耦合，直至磁场放磁结束，进入下一个磁处理周期的充磁阶段，再次循环该过程。该方案实现了在一个磁脉冲的有效作用时间内，依次完整施加了两次正反向脉冲电场，达到了电磁耦合的效果。

方案三：

电磁发生器经过0.1～5s的充磁达到放磁条件，开始放磁。随着放磁达到有效磁场处理强度B后，如果磁场有效作用时间大于脉冲电流发生器所激发的单个脉冲电流脉宽的2倍，故在此磁场有效作用时间内，任意两个线圈均可激发脉冲区间不重合的脉冲电流以形成瞬态电场。线圈1激发正向脉冲电流，在线圈1结束后，线圈3激发反向脉冲电流，线圈3脉冲结束后，磁场强度降至B，随后磁场强度小于有效磁场强度，故而不再进行电磁耦合，直至磁场放磁结束，进入下一个磁处理周期的充磁阶段，再次循环该过程。该方案实现了在一个磁脉冲的有效作用时间内，依次完整施加了一次正反向脉冲电场，达到了电磁耦合的效果。方案三中线圈2、线圈4不参与工作。

基于以上方案阐述，本申请提供如下具体实施例：

具体实施例一：

取某工厂生产的YG6牌号硬质合金，烧结制备为直径为10mm的硬质合金棒材，该硬质合金棒材其内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。采用伺服电机驱动夹持，将其置于本装置中，打开电源，设定有效脉冲磁场强度为2.5T，有效磁场时间为20ms，频率1Hz，单个脉冲间歇为1s；采用四个线圈依次激发脉冲电流，脉冲电流密度为10A/mm²，单个脉冲作用时间为5ms，频率1Hz，单个脉冲间隔1s；整个处理时间30s。结果表明，修复后硬质合金棒材的硬度为HRA93.4，较修复前的硬度HRA88.9提高了5.06％；修复后硬质合金棒材的抗弯强度为2156MPa，较修复前的抗弯强度1972MPa提高了9.33％，显改善了该型号硬质合金棒材的力学强度性能。

具体实施例二：

取某厂生产的YG6牌号硬质合金，烧结制备为直径为10mm的硬质合金棒材，该硬质合金棒材其内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。采用伺服电机驱动夹持，将其置于本装置中，打开电源，设定有效脉冲磁场强度为4T，有效磁场时间为20ms，频率1Hz，单个脉冲间歇为1s；采用四个线圈依次激发脉冲电流，脉冲电流密度为15A/mm²，单个脉冲作用时间为5ms，频率1Hz，单个脉冲间隔1s。结果显示，较修复前的硬度HRA88.3提高5.32％；修复后硬质合金棒材的抗弯强度为2161MPa，较修复前的抗弯强度1973MPa提高9.52％，总耗时22s，较达到相近修复条件的低压相比，效率提高了26.7％。

具体实施例三：

取某工厂生产的YG8牌号硬质合金，烧结制备为直径为10mm的硬质合金棒材,，该硬质合金棒材其内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。采用伺服电机驱动夹持，将其置于本装置中，打开电源，设定有效脉冲磁场强度为2.5T有效磁场时间为10ms，频率2Hz，单个脉冲间歇为0.5s；采用三个线圈依次激发脉冲电流，脉冲电流密度为15A/mm²，单个脉冲作用时间为5ms，频率2Hz，单个脉冲间隔1s；整个处理时间30s。结果表明，修复后硬质合金棒材的硬度为HRA93.1，较修复前的硬度HRA87.2提高了6.77％；修复后硬质合金棒材的抗弯强度为1737MPa，较修复前的抗弯强度1501MPa提高了15.72％，明显改善了该型号硬质合金棒材的力学强度性能。

具体实施例四：

取某工厂生产的YG8牌号硬质合金，烧结制备为直径为10mm的硬质合金棒材,，该硬质合金棒材其内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。采用伺服电机驱动夹持，将其置于本装置中，打开电源，设定有效脉冲磁场强度为4T有效磁场时间为10ms，频率2Hz，单个脉冲间歇为0.5s；采用三个线圈依次激发脉冲电流，脉冲电流密度为20A/mm²，单个脉冲作用时间为5ms，频率2Hz，单个脉冲间隔1s；修复后的硬质合金棒材的硬度为HRA93.6，较修复前的硬度HRA87.4提高了7.09％；修复后硬质合金棒材的抗弯强度为1742MPa，较修复前的抗弯强度1503MPa提高了15.9％，总耗时23s，较达到相近修复条件的低压相比，效率提高了23.3％。

具体实施例五：

取某厂生产的YG15牌号硬质合金，烧结制备为直径为10mm的硬质合金棒材，该硬质合金棒材为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。采用伺服电机驱动夹持，将其置于本装置中，打开电源，设定有效脉冲磁场强度为2.5T有效磁场时间为5ms，频率2Hz，单个脉冲间歇为0.5s；采用二个线圈依次激发脉冲电流，脉冲电流密度为20A/mm²，单个脉冲作用时间为2.5ms，频率2Hz，单个脉冲间隔0.5s；整个处理时间30s。结果表明，修复后硬质合金棒材的硬度为HRA90.1，较修复前的硬度HRA87提高了3.56％；修复后硬质合金棒材的抗弯强度为2402MPa，较修复前的抗弯强度2104MPa提高了14.16％，明显改善了该型号硬质合金棒材的力学强度性能。

具体实施例六：

取某工厂生产的YG15牌号硬质合金，烧结制备为直径为10mm的硬质合金棒材，该硬质合金棒材为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。采用伺服电机驱动夹持，将其置于本装置中，打开电源，设定有效脉冲磁场强度为4T有效磁场时间为5ms，频率2Hz，单个脉冲间歇为0.5s；采用二个线圈依次激发脉冲电流，脉冲电流密度为25A/mm²，单个脉冲作用时间为2.5ms，频率2Hz，单个脉冲间隔0.5s；修复后硬质合金棒材的硬度为HRA89.5，较修复前的硬度HRA86.2提高了3.82％；修复后硬质合金棒材的抗弯强度为2404MPa，较修复前的抗弯强度2097MPa提高了14.64％，总耗时21s，较达到相近修复条件的低压相比，效率提高了30％.。

具体实施例七：

取某工厂生产的牌号为YG6的硬质合金板材，利用线切割制成150*30*5mm的光洁表面板材共15块，该硬质合金板块为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。采用伺服电机驱动夹持，将其置于本装置中，打开电源，设定有效脉冲磁场强度为3T有效磁场时间为10ms，频率2Hz，单个脉冲间歇为1s；采用两个线圈依次激发脉冲电流，脉冲电流密度为15A/mm²，单个脉冲作用时间为5ms，频率2Hz，单个脉冲间隔0.5s；整个处理时间45s。结果表明，用sigma-B型涡流电导率仪对修复前后的电导率进行检测，修复前平均电导率1.64MS/m，经过修复后的平均电导率为1.78MS/m，经过修复后硬质合金板的电导率提升了8.53％，表明材料内部微观缺陷被一定程度的修复。

具体实施例八：

取某工厂生产的牌号为YG6的硬质合金板材，利用线切割制成150*30*5mm的光洁表面板材共15块，该硬质合金板块为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。采用伺服电机驱动夹持，将其置于本装置中，打开电源，设定有效脉冲磁场强度为4T有效磁场时间为10ms，频率2Hz，单个脉冲间歇为1s；采用二个线圈依次激发脉冲电流，脉冲电流密度为20A/mm²，单个脉冲作用时间为5ms，频率2Hz，单个脉冲间隔0.5s，通过sigma-B型涡流电导率仪对修复前后的电导率进行检测，修复后硬平均电导率为1.79MS/m，较修复前平均电导率为1.65MS/m提高了8.48％，总耗时31s，较达到相近修复条件的低压相比，效率提高了31.1％。

综上所述，由于本发明实现了更加完善的电磁耦合效果，减少了不必要的脉冲电流作用时间，大大节约了资源且降低了试件氧化的可能。此外，本发明可在合金热处理强化、机械强化、表面强化的基础上，改善材料微观不均匀性，进一步提升金属抗拉强度、断裂韧性和疲劳强度。

Claims (9)

1.一种用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置，其特征在于，包括电磁发生器和至少一个脉冲电场发生器；

所述电磁发生器，用于产生磁场；

所述脉冲电场发生器，用于在电磁发生器产生的磁场达到设定值时产生直流电压；包括一端与外部三相电源相连的总开关，总开关的另一端依次连接晶闸管移相调压电路、变压器和二极管整流电路，二极管整流电路的输出端并联有电压采样电路、内部放电电路、蓄能电容、续流二极管和晶闸管桥式输出电路；所述晶闸管移相调压电路的受控端连接晶闸管移相触发单元，晶闸管移相触发单元的受控端连接PI调节器，PI调节器连接主控器；晶闸管桥式输出电路的受控端连接晶闸管同步触发单元，晶闸管同步触发单元连接主控器；电压采样电路连接主控器；其中：

晶闸管移相调压电路，用于通过晶闸管调节外部三相电源每一相的通断，稳定进入后续部件的电压；

变压器，用于改变进入后续部件的电压值；

电压采样电路，用于采集蓄能电容两端的电压值，并反馈给主控器；

内部放电电路，用于内部放电，保护脉冲电场发生器中其余部件；

晶闸管移相触发单元，用于控制晶闸管移相调压电路中晶闸管的通断；

晶闸管桥式输出电路，用于通过控制晶闸管的通断对输出电压进行移相；

晶闸管同步触发单元，用于控制晶闸管桥式输出电路中晶闸管的通断；

主控器，用于控制晶闸管移相触发单元；用于根据电压采样电路的反馈值控制晶闸管移相触发单元。

2.根据权利要求1所述的用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置，其特征在于，电磁发生器包括直流电源和聚磁螺线管；其中聚磁螺线管的磁场强度为0～9T，磁脉冲频率为0.3～2Hz，相邻两个磁脉冲的间隔时间为0.1～5秒；脉冲电场发生器的脉冲电流密度为10～3×10³A/mm²，单个电脉冲作用时间为0.01～10ms，相邻两个电脉冲的间隔时间为0.1～5秒。

3.根据权利要求1所述的用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置，其特征在于，晶闸管移相调压电路包括三组结构相同的晶闸管移相调压单元，每组晶闸管移相调压单元与三相电源的一相相连；每组晶闸管移相调压单元均包括并联的谐振电路和两个晶闸管，同一个晶闸管移相调压单元中的两个晶闸管反向设置；晶闸管移相调压电路中的每个晶闸管的受控端均分别与晶闸管移相触发单元相连。

4.根据权利要求3所述的用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置，其特征在于，晶闸管移相调压单元中的晶闸管均为阴极受控单向晶闸管；谐振电路包括串联的电阻和电容。

5.根据权利要求1所述的用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置，其特征在于，变压器包括三个副边线圈；二极管整流电路包括三组二极管整流单元；每个二极管整流单元的输入端与一个变压器副边线圈相连；每个二极管整流单元均包括六个串联的二极管，二极管整流单元的输入端位于其第三个二极管与第四个二极管之间；三组二极管整流单元的末尾三个负极端口相连并作为二极管整流电路的正极，三组二极管整流单元的起始三个正极端口相连并作为二极管整流电路的负极。

6.根据权利要求1所述的用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置，其特征在于，续流二极管的负极与二极管整流电路的正极相连，续流二极管的正极与二极管整流电路的负极相连；电压采样电路、蓄能电容和内部放电电路的两端分别与二极管整流电路的两极相连。

7.根据权利要求1所述的用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置，其特征在于，晶闸管桥式输出电路由四个晶闸管输出单元通过电桥方式连接构成，由四个晶闸管输出单元构成的电桥的两个相对端点分别连接二极管整流电路的两极，另外两个相对端点分别作为正极输出端和负极输出端；

每个晶闸管输出单元均包括两个串联的晶闸管输出子单元，每个晶闸管输出子单元包括三线并联元器件，其中第一线并联元器件包括一个电阻；第二线并联元器件包括依次串联的两个电容和一个电阻；第三线并联元器件包括一个晶闸管。

8.一种用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置的发生方法，应用于如权利要求1-7任意一项所述的用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过电压采样电路获取蓄能电容两端的电压值；

S2、将蓄能电容两端的电压值与设定值进行比较，采用PI反馈方法生成控制信号控制晶闸管移相触发单元，直至蓄能电容获取符合设定要求的电压值；

S3、根据电磁强化处理对象的材料获取其磁场强度值B1；

S4、启动电磁发生器进行放磁，当放磁阶段的磁场强度大于磁场强度值B1时，通过晶闸管同步触发单元控制晶闸管桥式输出电路，使脉冲电场发生器对电磁强化处理对象释放脉冲电流；

S5、当放磁阶段的磁场强度衰减到磁场强度值B1时，停止脉冲电场发生器对电磁强化处理对象释放脉冲电流，结束单次电磁强化处理。

9.根据权利要求8所述的用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置的发生方法，其特征在于，步骤S4中使脉冲电场发生器对电磁强化处理对象释放脉冲电流的具体方法为：

通过切换不同脉冲电场发生器或通过切换不同的变压器副边在磁场强度大于B1时的放磁阶段中按照0.01～10ms的单个电脉冲作用时间、0.1～5秒的相邻两个电脉冲的间隔时间进行放电。

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