横向交变磁场作用下的等离子体弧特性分析

以外加横向交变磁场作用下的等离子体弧为研究对象,建立了等离子体弧摆动幅度和热流密度分布的数学模型.对横向交变磁约束下的等离子体弧射流特性进行理论研究,并分析工艺参数和励磁强度对横向交变磁约束等离子体弧形态和特性的影响规律.结果表明,横向交变磁场可有效控制等离子体弧形态和位置,等离子体弧在横向交变磁场作用下,分布范围增大、热流密度梯度减小.其摆动幅度随磁场强度的增加而增大,但过高的磁场强度会使等离子体弧变得不稳定;相同励磁强度下,气流量和弧电流越小、喷嘴到工件的距离越大,则摆动幅度越大;而工件表面的等离子体弧热流密度分布随励磁强度的增强趋于平坦化;相同励磁条件下,热流密度峰值随气体流量和弧电流的增大而增大、随喷嘴到工件距离的增大而减小.     

非转移弧等离子体炬及其射流的数值模拟

通过求解等离子体弧柱区的质量方程、动量方程、能量方程、电动势方程、磁场方程和组分方程,对非转移弧等离子体炬及其产生的等离子体射流的传热与流动特性进行了数值模拟研究,获得了等离子体炬及其射流区域的温度和速度分布。结果表明:呈现上升的伏安特性曲线;等离子体炬出口处温度和速度呈现抛物线分布;等离子体进气速度增加,等离子体速度增加,温度变化不明显;电流增加,等离子体速度和温度都明显增加。     

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。     

弧电压对等离子射流温度脉动的影响

电弧等离子体射流中的湍流是等离子体射流的典型物理现象之一。射流的脉动将直接影响射流温度的脉动,而以往的研究认为射流存在一个处于稳定状态的核心区域,本文采用电弧等离子体光谱诊断及数字高速摄影的方法对常压电弧等离子体射流进行了研究,采用了傅立叶变换的方法分析弧电压和射流光谱强度信号,发现电源的交流分量和阳极弧点运动对整个射流的脉动特性都有影响。射流并不存在一个处于稳定状态的核心区域,相反从谱线强度脉动与弧电压脉动的FFT分析图中可以看到,射流的脉动主要是由电弧电压的脉动造成的。     

热等离子弧对钢表面淬硬深度的影响

有3种连接方式可以用于等离子弧钢的表面淬火工艺：转移弧、非转移弧和联合弧。本文对比了这3种连续方式的等离子弧对钢表面淬硬深度的影响。试验结果表明，转移弧和联合弧的加热效率比较高，可以获得比非转移弧更深的淬硬深度，但小口径的非转移弧或联合弧的电弧燃烧稳定，比较适合用于等离子弧淬火处理。     

非转移弧层流等离子体射流铸铁表面熔凝强化

用大气压非转移弧层流等离子体射流，对W-Mo-Cu铸铁表面进行熔凝相变强化处理，观察和测试了试样经不同弧电流处理后的表面层组织、硬度、耐磨性。结果表明，层流等离子体射流对铸铁表面的局部快速加热熔化和冷却凝固，明显改变了表面层的微观组织，提高了硬度和抗磨损性能。     

磁控电弧焊接工艺在非熔化极气体保护焊中的应用

针对非熔化极气体保护焊,介绍了作用于焊接过程中的平行磁场、横向磁场、纵向磁场、双尖角磁场和旋转磁场的特点及磁场发生装置的组成,分析了磁偏弧工艺、磁摆弧工艺、均匀纵向磁场作用下的磁旋弧工艺、非均匀纵向磁场作用下的磁旋弧工艺、旋转磁场作用下的磁旋弧工艺、磁再压缩技术等国内外典型的磁控电弧焊接工艺的基本原理、应用范围及存在的问题.并对焊接电弧外形的变化和运行机制,焊接电弧外加磁场强度的变化关系进行了研究.     

低功率等离子体炬生产钛合金粉末的理论与实验研究

探讨使用低功率等离子体炬生产钛合金金属粉末的可能性.设计一种氩气直流非转移电弧等离子体炬,并对其等离子体射流特性和导线温度进行数值分析.喷嘴附件内的最高射流速度为838～1178 m/s,不同气体流速下顶点处的射流速度为494～645 m/s.等离子体气体流速对有效等离子体射流长度无显著影响.利用等离子体射流的温度和速...     

磁过滤的阴极弧等离子体源及其薄膜制备

采用磁过滤弯管滤除阴极弧等离子体中的大颗粒,研究了偏压和导向磁场对磁过滤弯管传输效率的影响。建立了磁过滤弯管中正交电场和磁场下的等离子体扩散模型,分析各个参数对等离子体传输的作用规律。采用磁过滤的阴极弧等离子体源制备了NbN膜,研究了沉积温度对膜层特性的影响。     

磁再约束等离子弧切割陶瓷实验研究

通过磁再约束等离子弧切割陶瓷实验，考察约束磁场对等离子弧特性，切割质量及无渣切速的影响规律，分析了所用磁约束装置的性能和方法的局限性，指出了进一步研究高质量约束磁场装置的必要性。     

Shape control of TIG arc plasma by cusp-type magnetic field with permanent magnet

The shape of arc plasma in gas-shielded arc welding is an important factor for the quality and efficiency of the welding. The arc plasma changes its shape by an external magnetic field because the arc is a flow of electricity and is subjected to the electromagnetic force. In this study, we examined the control of arc plasma by a cusp-type magnetic field. The field produces a high and low magnetic area alternatively, and changes the cross-section of the arc plasma from a circular to an elliptical shape. The previous study using solenoid coils to produce a cusp-type magnetic field reported that magnetized arc plasma provided deeper penetration. However, the solenoid device developed for the cusp magnetic field was too large in comparison with the size of the welding torch used for production welding. Therefore, this study investigated the magnetic control of arc plasma with permanent magnets that have recently become smaller in size and higher in intensity. Theoretical analysis model was constructed to determine the optimum arrangement of the magnets. This analysis requires a three-dimensional numerical model because the temperature-, velocity-, and electromagnetic fields of arc plasma change three-dimensionally by the additional magnetic field. It was analytically and experimentally shown in TIG arc welding that the arc shape could be elliptical cross-section even using the permanent magnets. Furthermore, our analysis showed that the effective magnetization direction of magnets was vertical, and this result was confirmed experimentally. As a result, we obtained the good bead appearance in the high-speed welding with this magnetic control.     

磁场与粉煤灰联合作用下TIG焊电弧行为

为了研究活性剂与高频磁场联合作用对电弧行为影响及熔深改变机理,使用粉煤灰作为活性剂对Q235钢进行A-TIG焊,并在焊接过程中施加高频纵向磁场,实现两者的联合作用.试验中对不同的涂覆量下A-TIG焊缝形貌进行分析,发现当涂覆量为0.3 mg/mm²时,熔深增加最为明显,在此涂覆量下引入1.5 kHz高频纵向磁场,熔深达到2.70 mm,为普通氩弧焊的1.8倍,但磁场频率继续增加,熔深则会出现下降趋势.采集焊接过程中电弧形貌、电流密度、电弧力及电弧温度的变化数据,分析活性剂与高频纵向磁场对TIG焊的联合作用机理,发现活性剂与磁场的联合作用能够改变外部磁场在等离子体内的分布使带电粒子受到更大的洛伦兹力,导致电弧在一定范围内进一步收缩;同时,与磁控-TIG相比,能够改善高频磁场引起的“磁抽吸”现象,使电弧热量更加集中.     

外加纵向磁场作用下的TIG焊接电弧

以单粒子理论假设为基础,详细阐述了外加纵向磁场在等离子体中的不均匀分布形态,以及这种不均匀磁场对TIG焊接电弧形状的影响,分析了电弧区的受力情况,建立了等离子体中带电粒子在这种非均匀磁场中的运动方程.由分析可知带电粒子在磁场作用下的运动轨迹是一条汇聚的螺旋线,且等离子弧外围的带电粒子的圆周运动的速度远大于弧柱中心的粒子运动速度.结果表明,在外加纵向磁场的作用下,TIG焊电弧发生了明显的收缩,激磁电流一定,激磁频率越高,电弧收缩越明显.     

轴向磁场对非熔化极焊接电弧的影响

利用设计的轴向磁场产生装置,采用理论与试验相结合的思路,将其作用于非熔化极焊接过程,包括等离子焊接和钨极氩弧焊(TIG)两种焊接方法.利用高速摄像装置观察电弧形态变化,获得并对比两种电弧的变化情况.结果表明,由于等离子电弧本身组成的特殊性,导致其与TIG电弧在同样磁场作用下发生变化的程度不同.然后做出运动受力分析,建立了轴向磁场下的粒子运动模型,由于粒子轴向运动速度的差异性,导致轴向磁场下带电粒子的运动阶段的不同,给出了两者在磁场下不同变化的原因.     

埋弧焊磁控电弧焊缝跟踪系统中的横向磁场ANSYS模拟

针对埋弧焊磁控电弧焊缝跟踪系统中磁控电弧传感器产生的外加横向磁场,文中采用有限元分析方法建立了由磁控电弧传感器产生的横向磁场计算模型.应用ANSYS软件对横向磁场进行了模拟;对该横向磁场的纵截面分布、磁流密度矢量的分布规律进行了仿真;并对模拟结果的偏差进行了分析.实际测试结果说明了磁感应强度模拟值与实测值的一致性.针对励磁电流对焊接电弧运动状态的影响进行了实际焊接试验.结果表明,焊接电弧随励磁电流的增大而摆动,且励磁电流越大电弧摆动幅度也越大.     

尖角磁场极性对双钨极氩弧焊电弧形态和焊缝特征的影响

针对双钨极氩弧焊(T-TIG)存在的电弧压力小、焊缝熔深浅等问题,引入不同极性的外加尖角磁场辅助T-TIG焊方法.分别采用高速摄像机和红外摄像仪研究不同极性的尖角磁场对电弧形态和焊缝特征的影响规律,并构建物理模型以揭示尖角磁场与电弧等离子体间的相互作用机制.结果表明,外加尖角磁场影响着T-TIG电弧形态和焊缝温度场,两种极性的尖角磁场都对其热影响区组织有细化作用.其中,在正极性的尖角磁场作用下,T-TIG电弧形态变化程度更大,焊缝温度场更加集中,焊缝熔深比未加磁场时增加37.1%,同时能量利用效率提高31.6%.     

外加高频纵向磁场作用下的TIG焊电弧数值模拟

基于局部热平衡状态假设,建立外加高频纵向磁场作用下的钨极惰性气体保护焊的电弧稳态三维数值模型.通过对麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程的耦合求解,得到了电弧的温度场、流场和压力场等计算结果.结合法拉第电磁感应定律,考虑时变磁场的电磁感应效应,引入感应电场,解释了高频纵向磁场作用下的电弧收缩现象.结果表明,外加高频纵向磁场感应产生环向电场,形成环向电流,环向电流与外加纵向磁场作用产生径向洛伦兹力,导致电弧收缩.     

Experimental study of magnetic arc blow for plasma arc cutting

Oxygen plasma arc cutting (PAC) is widely used in various industrial fields. In the case of cutting magnetized plates, the magnetic field is concentrated around the cutting front according to the progress of the cutting, and the electromagnetic force induced by leakage magnetic field deflects the plasma jet. The deflected plasma jet causes poor cutting quality and sometimes causes fatal damage on the electrode and the nozzle by a double arc as abnormal discharge. This phenomenon is called magnetic arc blow, and it is a critical issue of applying plasma cutting on magnetized plates. The purpose of this study is to investigate the arc blow behaviour and to devise a method to prevent it. We examined the relationship between operating conditions and double arc with external magnetic fields on the plasma jet. We found criteria of operation conditions that induce the arc blow. In addition, we have succeeded in suppressing the double arc generation attributed to the external magnetic field with a mild steel shield cap attachment around the nozzle tip.     

磁控等离子体弧金属板件柔性成形技术研究

等离子体弧柔性成形技术（FFUPA）是近年来发展起来的金属板件成形技术．利用该技术得到表面光滑、弯曲曲率小的工件较困难。为解决此关键技术问题,由等离子体的“与磁场可作用性”这一特点,利用低强度的均匀磁场来控制电子运动和增加在等离子体系统（磁控装置）中电子运动路径的长度,分散单位时间内单位面积上的等离子体数量,从而得到表面较光滑、弯曲曲率较小的工件。通过交变磁场再约束等离子体弧柔性成形实验,研究了等离子体弧在交变磁场中的特性,分析了加入交变磁场对板件弯曲成形表面质量、弯曲成形速度的影响规律。