大气压空气等离子体射流发生器设计及实验研究

设计了放电稳定、电弧射流较长、烧蚀率较低的大气压空气等离子体射流发生器的结构,并确定了发生器材质、冷却方式、进气方案.对设计的以空气为工作气体的等离子体射流发生器进行了实验研究,分析了其在旋流进气条件下的气体流量对放电现象的影响.     

光伏发电系统直流串联微弱故障电弧检测方法研究

光伏发电系统直流故障电弧因随机性强、信号微弱、容易受负载突变影响而难以准确检测。根据光伏电池U-I输出特性,文中分析光伏发电系统直流串联微弱故障电弧产生机理,通过搭建光伏发电系统故障电弧模拟实验平台,分析了微弱直流串联故障电弧信号特性;进而提出了一种基于电流小波能量熵特征的检测直流串联微弱故障电弧的方法。该方法先计算电流信号脉冲因子,并利用阈值比较法来检测故障电弧。在此基础上,进一步计算电流小波能量熵特征,并采用极限学习机(ELM)辨识微弱故障电弧。实验结果表明:所提方法不仅能检测强直流故障电弧,还能检测微弱直流故障电弧,且平均辨识率高达98%。     

光谱法水下焊接电弧温度的研究

利用等离子体光谱诊断法对水下焊接电弧温度进行了比较系统的研究，对水下湿法焊接与干法焊接的电弧温度进行了对比分析，讨论了水的冷却作用及水压力对水下电弧温度的影响。探讨了焊接规范、焊条药皮中铁粉和铝热剂的质量分数等因素对水下焊接电弧温度的影响，获得的研究成果对水下焊接电弧物理及焊接冶金的研究有参考价值     

电源类型对短电弧-电化学复合加工放电凹坑影响研究

放电凹坑大小影响着加工表面形貌的一致性,放电凹坑的凸起高度及凹坑表面的重铸层对加工表面质量有重要影响。文章基于短电弧-电化学复合加工方法,在直流与脉冲两种常用电源类型下对钛合金TC4进行单次放电实验,分析两种电源类型下的短电弧-电化学复合加工单次放电凹坑尺寸及影响规律;结合单次放电凹坑实验所采集到的波形与电弧放电过程仿真模型对电弧放电过程的等离子体放电通道变化进行研究。研究结果发现,直流与脉冲放电凹坑的尺寸与影响规律差异与电弧的断弧方式有关,不同的断弧方式对等离子体放电通道产生影响,直流电弧倾向于通过流体介质运动和极间距离改变进行断弧,而脉冲电弧通过脉冲后沿电压变化和极间距离改变进行熄弧。这两种断弧方式不仅影响了凹坑的尺寸形貌,也影响了断弧后的电化学腐蚀效果。     

基于MAG的高压环境旋转电弧焊接稳定性研究

对电弧等离子体进行了分析,讨论了电弧稳定性的概念和评价方法.为了实现水下湿法焊接自动化,搭建了高压环境旋转电弧焊接硬件平台,通过采集电流和电压,分析其电流、电压直方图分布,对高压干法和湿法基于旋转电弧的混合气体保护焊的稳定性进行了比较分析.通过实验研究和理论分析,对高压水环境采用旋转电弧焊接稳定性差的原因进行了说明.     

电弧等离子体多物理场分布特征

等离子弧加热技术被广泛应用于冶金领域,采用磁流体动力学理论(Magnetohydrodynamic theory,MHD)建立直流电弧等离子体的数学模型,利用Fluent软件求解电磁场、温度场、速度场的耦合过程,研究不同弧长大小,不同入口速度对电弧温度分布、形貌、轴向速度分布和电流密度分布的影响。研究结果表明,弧长大小和入口速度对电弧特征分布有明显影响,但不是线性相关。电弧温度沿轴向降低,径向温度分布是以轴线为中心沿两侧径向逐渐降低,等离子弧温度呈“钟型”分布。电弧中心轴线速度在阴极处急剧增加然后逐渐降低。沿轴向方向,电流密度呈指数下降趋势。当入口速度为10 m/s时,随着弧长的增加,电弧有效作用面积范围也增加,当弧长为20 mm或25 mm时,射流现象最明显,轴向最大速度可达到约408 m/s。研究结果解释了不同弧长和入口速度对电弧特征的影响规律,为电弧等离子体加热工艺的应用提供了理论依据。     

等离子体发生器的数值模拟方法

根据流体质量、动量及能量守恒方程和麦克斯韦方程组建立等离子体发生器的数学模型,包含一部分钨极以避免对阴极电流密度分布的假设,根据平均有效粘性系数与动力粘性系数之比判断等离子电弧所处的流动状态,用ANSYS有限元分析软件进行求解,得到不同类型的等离子体发生器所产生的等离子电弧的温度和速度分布,研究喷嘴尺寸、电极形状和等离子电弧类型等对等离子电弧特性的影响。结果表明,大孔道比的喷嘴产生的电弧温度更高,速度更大,孔道比甚至会改变等离子电弧的流动状态;与锥形电极的电弧在电极端部取得温度最大值不同,球形电极的电弧在约束喷嘴端口处得到温度最大值;转移型电弧比非转移型电弧具有更高的温度和速度。研究结果对等离子体发生器的数值模拟法研制具有重要的参考意义。     

JZH-交直流电弧发生器

一、交直流电弧发生器交直流电弧发生器由交流电弧、直流电弧、控制装置组成。电弧的稳定性直接影响到元素的分析精确度。而电弧的稳定性从电学角度看,首先取决于弧光电流的稳定性,为了稳定弧光放电电流,在直流电弧部分装置中有稳流电路。原理图如图1。当光源进线电压在±     

湍流等离子体发生器的结构设计与实验研究

基于等离子体发生器结构设计理论，介绍了自制湍流等离子体发生器结构设计要点，通过LabVIEW虚拟仪器技术、MATLAB软件、电路设计与数据采集技术设计了一套诊断系统，然后利用该系统对湍流等离子体发生器的射流特性进行了实验研究。实验结果表明：通过增加中间电极的数量并限制其长度能够有效抑制双弧现象，不仅提高了等离子体发生器的工作功率，而且有利于提高湍流等离子体发生器的使用寿命；在满足U*₍(z))>ΔU₍(z))的情况下，限制阳极轴向尺寸可以避免大尺度分流现象，从而提高湍流等离子体发生器的射流稳定性；此外，工作条件的变化会对等离子体射流特性产生明显的影响。     

同轴等离子体发生器电弧运动轨迹数值分析与计算

为了计算针对外加轴向磁场的同轴等离子体发生器内等离子电弧的运行轨迹和旋转速度,采用了数值分析方法。首先采用通道模型计算了电弧半径;将电弧等效为刚体,根据电弧稳态旋转阻力力矩与电磁力矩平衡原理建立了其稳态运行的数学模型,然后通过采用禁忌搜索算法计算了其转速。研究结果表明:粒子的空间运行轨迹为近似平面抛物线以阴极为对称轴旋转形成的空间迹线。此外,实验结果证明了理论工作的有效性和正确性。     

保护套圈对步进式电弧螺柱焊过程电弧行为的影响

利用自行研制的步进式电弧螺柱焊枪,采用套圈作为焊接过程的保护方式,研究了套圈保护步进式电弧螺柱焊过程。对焊接过程的电流及电压波形进行采集,分析焊接过程的电弧行为。实验结果表明,在套圈保护下,步进式电弧螺柱焊过程电弧稳定燃烧,熔化金属短路现象明显减少;螺柱送进过程的“无弧”时间缩短。焊接过程电弧行为的改善提高了电弧对接头的加热效率;与无保护步进式电弧螺柱焊相比,套圈保护步进式电弧螺柱焊可以在一定范围内缩短焊接时间。     

氮氩保护的TIG焊电弧等离子体的数值分析

以TIG焊接电弧为对象，依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型，运用ANSYS有限元分析软件对二维稳态下轴对称的、氩氮混合气体保护的TIG焊接电弧进行了数值分析，得到了30％N2＋70％Ar（体积分数）混合气体保护下焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征。通过与纯氩气保护的TIG焊接电弧温度、压力以及等离子体速度等分布的比较，得出了加入氮气作为保护气体时的TIG焊接电弧能量及形态的分布变化。对比结果表明，加入氮气作为保护气体，提高了TIG焊接电弧的电弧温度、等离子体速度和电弧压力，能得到更高能量密度的焊接电弧。     

低压电弧等离子体射流的温度测量

低压下的电弧等离子体射流在许多领域中有重要的应用.但是,由于其常常处在热力学非平衡态下,测量其温度有很大的难度.笔者在真空环境中,用以氩气为工质的电弧加热发动机的射流为低压等离子体源,建立了光谱测温实验系统,分别采用绝对强度法和波尔兹曼图法得到了射流的激发温度,从而给出了一种测量低气压下电弧等离子体射流温度的方法.     

电熔爆等离子体电弧的多场耦合仿真与试验分析

针对电熔爆加工过程中等离子体电弧分布研究量化程度不足的现状,运用磁流体动力学理论,建立了包含阴极-等离子体电弧-阳极表面的二维数学模型,采用Comsol有限元仿真软件求解出不同加工电流等离子体电弧温度场、压力场、电势场及阳极表面电流密度分布特性,并根据电熔爆等离子体电弧的加工需求搭建了试验系统,对仿真结果进行验证。研究结果表明:增大加工电流可提高电弧最高温度,使电熔爆放电通道内温度和压力梯度增大,造成放电通道不稳定;增大电流使电弧受到指向电弧中心的电磁力增加,导致电弧收缩明显,加工能量过于集中,使加工表面质量降低;在电流100～175 A之间,加工后表面粗糙度可控制在Ra 6.3μm以下,试验结果与仿真结论具有较好的一致性。     

基于双层同轴复合电弧的穿孔焊工艺可行性研究

单电极单电弧热源存在热力耦合的固有特性,制约了对熔池热力行为的精确调控,需要改进成弧方式来缓解电弧热力输出的耦合效应.提出双层电弧同轴复合成弧技术,基于等离子弧焊枪,设计了新型喷嘴,将环形自由电弧与中心的压缩电弧同轴复合.电弧燃烧试验测试发现,所设计的焊枪能够形成稳定的复合电弧,电弧宽度可由环形电弧电流调节;将复合电弧与纯压缩电弧进行初步的穿孔焊接对比试验,复合电弧能够实现稳定的穿孔焊接,焊接过程中的小孔行为和焊缝结果与常规压缩电弧基本一致.开展的试验结果初步验证了双层同轴复合电弧焊的可行性,为后续改善穿孔焊接小孔稳定性奠定基础.     

铝合金激光-电弧双面焊接激光稳定、压缩电弧的机制分析

为了阐释铝合金激光-电弧双面焊激光稳定、压缩电弧的物理机理,采用对比试验的研究方法和红外测温、电弧光谱分析的技术手段,分析激光对电弧作用的物理本质.结果表明,在激光匙孔未穿透条件下,激光形成的大梯度温度场为电弧提供阳极斑点是铝合金激光-电弧双面焊电弧稳定、收缩的根本原因,高能量密度的激光热源和高热导率的材料二者不可或缺;而在激光匙孔穿透条件下,光谱分析显示常规钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas arc,TIG)焊电弧的Ar谱线强度最高,不锈钢激光-电弧双面焊电弧次之,而铝合金激光-电弧双面焊电弧Ar谱线最弱,这表明铝合金较高的饱和蒸汽压使得激光在匙孔底部产生较多的激光等离子体,为电弧提供了更加容易的导电通道,因而电弧弧根作用于此.     

焊接电流影响GMAW双丝焊电弧等离子体的数值模拟研究

基于电磁学理论和流体力学理论,建立熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding,GMAW)双丝焊焊接电弧等离子体三维数学模型,利用流体力学软件Fluent对其进行求解。重点研究焊接电流对GMAW双丝焊电弧等离子体行为的影响规律,获得了电弧温度、电流密度、热通量、磁场分布等结果。研究发现,随着焊接电流的变化,电弧等离子体形状变化显著。随着焊接电流的增大,电弧最高温度和电弧偏转角随之增大,电流密度和工件表面热通量由双峰分布转变为单峰分布,并且热通量峰值随焊接电流的增大而增大。此外,随着焊接电流的增大,磁感应强度和磁场力随之最大,磁场分布由独立两个磁场向耦合磁场转变。为有效、定量地证明模拟结果准确性,开展焊接试验,利用高速摄像监测电弧行为,利用光谱测温测量电弧温度。结果表明模拟结果同试验结果吻合良好,研究结果为合理选择GMAW双丝焊焊接电流参数提供理论依据。     

维弧对变极性等离子电弧特性的影响

变极性等离子弧(Variable polarity plasma arc, VPPA)焊接在厚板铝合金焊接中具有独特的优势.维弧及其维弧电源对变极性等离子电弧形态、力学特性和电弧静特性等有重要影响.通过高速摄像、压力传感器和基于工控机的信号检测系统,分析了维弧对变极性等离子电弧形态、电弧力和焊接工艺的影响规律.发现在变极性等离子弧反极性期间由于维弧电源的分流作用,电弧力下降,并易造成双弧和降低电弧电压等现象.试验结果对变极性等离子弧焊接工艺稳定性及其焊接过程控制有重要的理论指导意义.     

基于镁合金焊接的小功率脉冲激光诱导增强电弧放电机制研究

正小功率脉冲激光-电弧复合热源具有焊接能耗低、焊接质量好以及焊接效率高等特点,具有广阔的应用前景和巨大的应用潜力,是焊接领域研究的热点之一。小功率脉冲激光-电弧复合热源优异的焊接特性来源于激光和电弧等离子体之间的协同和相互增强效应。对焊接过程中激光和电弧等离子体相互作用的物理机制和物理过程的研究有利于促进小功率脉冲激光-电弧复合热源焊接技术的进一步发展。本论文以小功率脉冲式激光-电弧复合热源焊接镁合金过程为研究对象,以激光在材     

电极旋转方式对小电流真空电弧特性的影响研究

以磁流体动力学(MHD)为基础,建立了小电流真空电弧的双温磁流体动力学模型及三维电弧的数学控制模型,仿真分析了小电流真空电弧的特性参数以及电机旋转对于电弧特性参数的影响。分析表明:小电流真空等离子体数密度、电子温度、离子温度、压强、纵向电流密度、能流密度的最大值都出现在电弧中心位置,并且沿径向逐渐减小,电弧等离子体从外观以及各项参数的分布上符合扩散型电弧的规律;同时,随着电极转速的增加,纵向电流密度、电子温度、离子温度、阳极侧能流密度都逐渐减小,分布更加均匀。