大气常压等离子弧清洗的能量耦合作用有限元分析（英文）

大气压等离子弧清洗是一种新型的表面预处理清洗技术,了解等离子弧与工件间的能量耦合作用是研究大气压等离子弧清洗技术的关键。通过建立有限元模型,并对分析结果进行回归计算,得到了界面清洗力和界面清洗温度的经验公式,进一步揭示了等离子弧功率,基板厚度和清洗速度等主要参数对能量耦合的影响,并对回归分析结果进行了验证。结果表明:等离子弧输出功率与清洗速度的相互作用对界面清洗力和界面温度影响最大,其中,等离子弧输出功率对界面清洁力和界面温度的影响最大,清洗速度次之,基板厚度对它们的影响最小。     

基于FLUENT的等离子弧数值模拟

以磁流体动力学为理论依据建立了转移型等离子弧的数学模型,利用FLUENT软件耦合求解质量、动量、能量守恒方程以及麦克斯韦方程组,得出了等离子弧的温度场和速度场等分布。同时分析了不同电流、气流量对等离子弧能量及形态分布变化的影响。结果表明,阴极电流越大,等离子弧的温度越高,速度、电弧压力也越大,弧的高温区向阳极扩张;大的离子气流量加强了喷嘴对电弧的热压缩作用,电弧直径被迫缩小,因此能得到更高能量密度的等离子弧。     

旁路耦合微束等离子弧增材制造自适应高度控制系统

在xPC Target实时目标环境下,采用旁路耦合微束等离子弧进行增材堆垛试验,探究最大临界送丝速度、焊炬悬空高度和总电压等过程参数之间的关系.通过数据分析得到了送丝速度与总电压的回归模型,进一步在xPC Target系统中创建变送丝和电压反馈相结合的自适应高度调节控制模型,搭建了基于自适应高度调节的旁路耦合微束等离子弧增材制造控制系统,进行了在台阶形基板上的堆垛成形试验和单墙体零件自适应堆垛试验.结果表明,该控制系统能提高增材制造过程的稳定性;优化堆垛高度方向上的成形路径设计;实现复杂形状基板上金属零件的堆垛成形.     

扫描速度对共析钢等离子表面淬火硬化的影响

以层流等离子弧作为热源对共析钢进行表面淬火,通过等离子表面淬火热传导的理论分析,对等离子弧扫描速度对硬化层最大硬化深度的影响进行研究。并利用电子扫描显微镜、显微硬度计等试验手段,研究了淬火硬化层的显微组织和力学性能。结果表明:层流等离子弧扫描速度越快,淬火硬化层最大硬化深度越小。得出等离子弧扫描速度与淬火硬化层最大硬化深度之间的关系,并且与实验结果相吻合。淬火硬化层组织为板条状马氏体和针状马氏体,淬火硬化层与基体的界面组织为珠光体和隐针马氏体,基体组织为珠光体。淬火硬化层硬度由共析钢基体的350 HV提高到900～1000 HV。     

基于SPH-FEM算法的爆炸焊接界面参数及波形生长机理研究

使用SPH-FEM耦合算法对钛-钢、钢-不锈钢、铜-钢、钛-铝4种常见爆炸复合组合进行了数值模拟,理论分析了材料JC强度方程和SG强度方程的适用应变率范围。探讨了爆炸焊接静态参数基复板厚度和动态参数碰撞速度、动态弯折角对界面温度和压力的影响,借助数值模拟手段研究了界面波形形貌,漩涡和少量飞溅熔化块的生长机理。结果表明,随着复板厚度和碰撞速度的增加,界面温度、压力和波形尺寸明显增加,动态弯折角和基板厚度的改变并不能影响界面温度,界面波形生长遵循着“主逆次顺”运动规律。     

喷嘴结构对微等离子弧输出特性影响的数值仿真与验证

通过数值模拟和试验研究相结合的方法,在考虑微等离子喷枪喷嘴结构的条件下,建立了大气压下脉冲放电微等离子弧的数值模型,重点研究了喷嘴孔径、喷嘴工件距、阴极内缩量以及电流大小对微等离子弧的影响,并通过光谱仪来表征微等离子弧作用的温度分布。结果表明:喷嘴结构对微等离子弧的形成与稳定有重要影响:在有效压缩距离点内,喷嘴孔径的减小以及喷嘴工件距离的缩近才对工件温度的提高有显著影响;一定范围内,工件的温度随电流的增大而增大;阴极内缩量对工件的温度影响不大。微等离子弧温度场的数值模拟结果与光谱仪测量结果基本一致,验证了模型的可靠性。     

旁路等离子-MIG复合电弧及耦合熔池作用机理与数值分析

旁路等离子-MIG复合工艺是通过等离子焊枪的导电铜嘴与焊丝之间形成的分流弧、焊丝与母材之间的主路弧同轴耦合进行焊接的新型工艺，不但保持了MIG焊的高效性，还可以通过对旁路电流的调节实现焊接过程能量的精确控制.为了深入了解该工艺条件下复合电弧与耦合熔池的物理作用机制，通过建立流体动力学瞬态计算模型，并基于合理的试验验证，对旁路电流加载前后气液两相内部及界面处的传热传质行为进行了对比研究.结果表明，相比未加载旁路电流时，电弧的最高温度下降约1 000 K，同时电弧与耦合熔池交界处的有效热通量整体下降；熔池内部液态金属回流速度明显下降，因此导致熔深和熔宽尺寸均有所减少；复合电弧和耦合熔池的最大电磁力方向没有改变，但数值均有所降低.     

铝合金表面有机污染物等离子体清洗机理及验证

针对惯性约束核聚变装置中铝合金零件表面的有机污染去除问题,提出大气常压等离子清洗方式。 通过有限元方法研究等离子清洗机理,并通过铝合金零件的清洗试验进行验证,从而实现聚变装置中机械零件的超洁净制造。 研究结果表明:通过建立等离子表面清洗的热力学耦合方程,仿真分析得到清洗应力随清洗距离的减小而增大, 随清洗速度和基体厚度的增大而减小。 通过试验验证了铝合金零件在等离子清洗后表面自由能增大,极性分量与色散分量都有所增加,并且在等离子清洗过程中清洗的距离比清洗速度对清洗效果影响更大,清洗距离为 5 mm 时最好。     

基板厚度对薄壁件GMA增材制造温度场的影响

对环形薄壁件GMA增材制造温度场进行数值模拟,采用热循环试验对计算结果进行验证,并研究基板厚度对堆积过程温度场的影响. 结果表明,基板厚度增加,熔池最高温度降低且长度减小,“拖尾”状况改善明显. 第一层中点热循环曲线上的波峰和波谷随基板厚度增加而降低,波峰差值先增大后趋于稳定,波谷差值先保持稳定再减小. 熔池轴向最大温度梯度随基板厚度增加而增大,但增量逐渐减少. 熄弧时刻,基板厚度增加,各层中点的轴向温度梯度增大,但随堆积高度增加,轴向温度梯度上升趋势明显减弱.     

Ti-6Al-4V基体上等离子喷涂羟基磷灰石涂层的热-力耦合和残余应力

基于热弹塑性理论建立了等离子喷涂羟基磷灰石涂层的热-力耦合模型。一方面,通过引入变形对温度的影响项对经典的Fourier瞬态热传导方程进行了修正,另一方面,在考虑了温度软化效应、应变硬化效应、和应变率强化效应后,采用适用于高温、高应变率条件下的Johnson-Cook模型作为本构方程。基于上述耦合模型,采用有限元方法对涂层内的残余应力场进行了模拟,同时还模拟了基体预热温度以及涂层厚度对残余应力的影响。为了验证数值模拟的可靠性,还采用“材料去除”的实验技术测试了涂层在界面处的残余应力。结果表明：在界面边缘有明显的应力集中;适当提高基体的预热温度有利于减小残余应力;涂层的残余应力随厚度的增加而增大。     

THE INVESTIGATION ON PLASMA ARC TREATMENT OF CHROMIUM PLATED ALLOY STRUCTURE STEEL

The technology of plasma arc was used to modify the interface adhesion between chromium coating and steel substrate. The interface microstructure was studied as a function of plasma arc processing parameters. Microstructure analysis was performed by optical microscopy, scanning electron microscopy and electron probe. The microhardness distribution along the depth of a cross-section of the chromium coating and the substrate was measured. The results show the energy density of transferred plasma arc is obviously higher than plasma non-transferred arc. The molten interface wasbetween chromium coating and steel substrate obtained by plasma transferred arc. Interfaces between chromium coating and steel substrate can be divided by plasma non-transferred arc into three classes: non-molten, a little molten and molten. Good interface bonding was obtained by proper process parameters. The microhardness of chromium coating decreases with increasing energy density of plasma arc.     

镀铬层等离子束流界面强化工艺

针对高温化学气流冲刷烧蚀的使用状态，提出了等离子束流界面强化解决镀Cr层与基体结合强度不足的技术问题，用非转移等离子束流对镀铬钢件表面进行快速加热进行界面强化处理的工艺方法，介绍了等离子束流界面强化原理，进行了等离子束流强化工艺试验，并对试验结果进行了检测和分析研究，结果表明，镀Cr层与基体产生了冶金结合，较为显著地提高了镀层与基体的结合强度。     

铝合金变极性TIG焊接电弧行为

分别采用正弦波变极性和方波变极性氩弧焊对铝合金试板进行了焊接试验,利用高速摄像机和汉诺威分析仪分别对焊接过程中变极性电弧形态及电信号进行采集分析. 结果表明,电弧电压概率密度分布和高速摄像图证实了较小焊接参数条件下正弦波变极性比方波变极性电弧稳定性差的现象. 正弦波变极性TIG电弧随EP(反极性)的增加清理宽度增加,但熔宽未增加,证明此条件下正弦波变极性TIG电弧过于发散;焊接参数较大时,随EP的增加,正弦波变极性熔宽变宽,证实正弦波变极性TIG电弧稳定性随之提高,证明了铝合金变极性TIG焊接过程中EP极性电弧产热大于EN极性电弧能量的本质特征.     

Fe-Al金属间化合物对钢表面增强工艺参数的影响

进行了Q235钢表面的预制粉末覆层的等离子熔覆,研究了等离子熔覆工艺对熔覆层表面成形的影响,在此基础上得到了合适的熔覆工艺参数.进行了熔覆层组织的金相分析及熔覆层显微硬度测量与分析.结果表明,熔覆电流、焊枪摆动频率、熔覆速度的改变均能引起热输入的明显变化,影响熔覆层组织形态,基体熔化程度,以及界面的结合状态,进而影响熔覆层的耐磨性及耐腐蚀性.试验条件下的最佳熔覆工艺参数为熔覆电流130 A,熔覆速度5 cm/m in,焊枪摆动幅度4 mm,摆动频率0.4 Hz.     

MAIP镀TiN工艺对膜基结合的影响

本文介绍了用多弧离子镀膜（MAIP）技术在高速钢基片表面镀TiN工艺。通过离子轰击清洁和加热后,工件施加高的偏压并同时打开弧源,在膜基界面形成Ti、N、Fe、W、Mo的交混层。这层伪扩散层的存在,提高了膜基结合强度,为该膜的应用奠定了良好的基础。     

刻蚀工艺对四面体非晶碳膜生长及其性能的影响

目的研究不同等离子体刻蚀工艺对基体和四面体非晶碳膜(ta-C)的影响,并进一步考察不同电弧等离子体刻蚀时间对ta-C薄膜结构的影响。方法采用自主设计研制的45°单弯曲磁过滤阴极真空电弧镀膜设备,进行不同等离子体刻蚀以及ta-C薄膜的沉积。使用等离子体发射光谱仪表征离子种类及其密度,使用椭偏仪表征薄膜厚度,原子力显微镜表征刻蚀后的基体粗糙度,拉曼光谱仪和XPS表征薄膜结构,TEM分析薄膜的膜基界面结构。结果辉光刻蚀工艺中,作用的等离子体离子以低密度的Ar离子为主;而电弧刻蚀时,作用的等离子体离子为高密度的Ar离子和少量的C离子,并且能够在基体表面形成约15 nm的界面层,并实现非晶碳膜(a-C)的预沉积。随电弧等离子体刻蚀时间增加,ta-C薄膜的sp3含量有所降低。结论相比于辉光刻蚀,电弧刻蚀利于制备较厚的ta-C薄膜。这主要是因为电弧刻蚀时,基体表面形成良好的界面混合层,并预沉积了非晶碳膜,形成a-C/ta-C的梯度结构,有助于增强膜基结合力。     

A novel 300 kW arc plasma inverter system based on hierarchical controlled building block structure

To date, the high power arc plasma technology is widely used. A next generation high power arc plasma system based on building block structure is presented. The whole arc plasma inverter system is composed of 12 paralleled units to increase the system output capability. The hierarchical control system is adopted to improve the reliability and flexibility of the high power arc plasma inverter. To ensure the reliable turn on and off of the IGBT module in each building block unit, a special pulse drive circuit is designed by using pulse transformer. The experimental result indicates that the high power arc plasma inverter system can transfer 300 kW arc plasma energy reliably with high efficiency.     

变极性等离子电弧力学行为研究

研究了变极性等离子孤焊接工艺参数对变极性等离子电孤力的影响规律,提出了变极性等离子电孤的力学特性,它是变极性等离子电孤的重要特性之一,试验结果对中厚板铝合金变极性等离子孤焊接工艺稳定性以及焊接过程控制有重要的指导意义。     

拼焊板等离子体弧柔性成形数值模拟

采用等离子体弧作为热源对低碳钢差厚拼焊板进行弯曲成形研究,并利用有限元分析软件ANSYS对差厚拼焊板进行弯曲成形模拟。通过分析匀速恒功率热源、变速恒功率热源及匀速变功率热源扫描差厚拼焊板的温度梯度和应力分布,给出了一种较好的拼焊板热成形方法,最后通过试验对有限元分析结果进行了验证。