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.     

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.     

Simulation analysis of double arc in plasma arc welding

Aimed at plasma arc welding, a mathematic model was established according to the theory of magnetic fluid dynamics. The model was numerically analyzed by ANSYS software. The temperature, current density and plasma velocity distributions of normal arc had been simulated and compared with those of double arc. The results show that the appearance of double arc has made the temperature of the nozzle rise up to 5 000 K. The appearance of side arc could make the current density of the main arc decrease, and also make the maximal temperature of the arc reduce.     

方波交流等离子弧立焊主维弧干涉原因及解决措施

本对方波交流等离子弧焊的主、维弧相互干涉现象进行了研究，理论分析和试验结果表明：主，维弧相互干涉的原因是由于工件极性为负时反极性主电弧与维弧的电场强度，电流流向相异，使钨极和喷嘴表面聚集电荷发生或吸利于主弧（与工件为正时相比，这种有利状态的程度有所降低），不利于维弧；或相反；或既不利于主弧，也不利于维弧；或对两电弧都有利的状态转变，因而导致电弧燃烧不稳定，虽然主，弧弧干涉现象与双弧现象不     

Analysis of acoustic characteristics for plasma arc cutting

Abstract

The sound emitted during plasma arc cutting is closely related to the cutting conditions including cutting speed, arc current, operating gas flowrate, torch standoff height, nozzle shape, etc., and it therefore contains useful information for the evaluation of the plasma arc cutting process. The present work investigates the characteristics of the sound emitted during plasma arc cutting under various cutting conditions, using fast Fourier transformation and probability statistical analyses. An acoustic model of plasma arc cutting, having two jet sound sources, is proposed to interpret this sound. The sensitive frequency band of the cutting sound and the relationship between the cutting sound and the conditions are then revealed. It is shown that the cutting sound is a random signal readily affected by cutting conditions, and its energy is concentrated in the high frequency field and originates mainly from the mixing region of the first sound source and the mixing and transition regions of the second sound source. Experimental results also suggest the possibility of developing an acoustically based monitor system for this plasma arc process, and of reducing the acoustic exposure level, thereby improving working conditions.     

A new type of pilot arc power source used for A．C． plasma arc welding of aluminum alloys

ＡｎｅｗｔｙｐｅｏｆｐｉｌｏｔａｒｃｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅｕｓｅｄｆｏｒＡ．Ｃ．ｐｌａｓｍａａｒｃｗｅｌｄｉｎｇｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓ￥ＺｈｅｎｇＢｉｎｇ；ＷａｎｇＱｉｌｏｎｇａｎｄＬｉＸｉａ（ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏ...     

铝合金变极性等离子弧焊接工艺中的双弧现象

在铝合金变极性穿孔型等离子弧焊接工艺中，维弧电源对变极性电弧的稳定和工件受力状态有显著影响。在反极性时间内，部分主电流会通过维弧电源在喷嘴和工件之间形成自由电弧，产生双弧现象，增大喷嘴的烧损，同时，双弧的产生减小了反极性期间的等离子电弧力，使得电弧的穿透能力减小。     

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.     

焊接电弧磁偏吹问题的理论解释及解决办法

从电磁学的基本理论出发，剖析了焊接电弧磁偏吹的问题，根据磁偏吹产生的原因，提出工程上解决磁偏吹问题的方法。     

电弧源自身大颗粒抑制技术研究进展

电弧离子镀技术已经成为镀膜技术中不可或缺的技术之一,并在金属、装饰、硬质耐磨等领域被广泛研究和应用。膜层技术的研究应用促使对电弧源技术的研究主要集中在长寿命、高可靠性和大颗粒抑制这几方面,且后者的开展必须建立在前者的基础上。大颗粒抑制的关键在于减少弧斑在靶面的驻留时间,可通过巧妙的永磁或电磁设计来实现具有较强横向磁场分量的靶面,但当磁场强度增大时,必须综合考虑纵向磁场和横向磁场的比例关系,考虑靶材本身的特点。另一种抑制大颗粒的方法是脉冲电弧技术,脉冲电弧源引弧频繁,在结构设计上和恒流电弧源有很大的区别,瞬时电流能达到数千、甚至一万安培以上,能够获得很高的沉积速率,同时阳极的设计使等离子体形成定向喷射,过滤掉大部分大颗粒。     

纵向磁场作用下MAG焊电弧的动力学分析

设计了一种工程实用性强、磁控稳定性好的纵向磁场发生装置,借助Ansys仿真软件发现电弧空间的磁场含有一定量的呈辐射状分布的径向分量.将该纵向磁场应用于喷射过渡MAG焊,利用高速摄像手段分析了电弧和液流束的运动特征.分析了电极磁场力的存在机理和特点,在此基础上通过分析不同形状电弧的受力情况,确定了电弧空间形态呈螺旋线状.     

切割用等离子弧的数值分析

以转移型直流电弧等离子体切割炬为研究对象,根据局部热力学平衡假设和磁流体动力学理论构建了电弧数学模型,采用数值模拟方法分析了等离子体炬内等离子体的传热和流动特性,阴极形状、锥角、内缩量和喷嘴形状对切割气流的速度和等离子温度分布的影响.并对五种常用形状阴极和两种不同内缩量的割炬内等离子流体速度场和温度场进行了比较.从数值分析的角度验证了阴极斑点较小的阴极能产生较大的焰流速度和热量,以及内缩量的增加对电弧的压缩具有显著作用.     

基于多物理环境顺序耦合法的联合弧特性分析

由于转移弧和非转移弧的并存以及电、磁、热、流等物理现象的复杂耦合作用,使得传统数值方法分析联合弧射流特性较为困难.依据磁流体动力学和电磁学理论建立联合型等离子体弧的三维数学模型,利用物理环境顺序耦合法对多场复杂耦合的联合弧进行有限元迭代计算,并分析工作电流、气体流量相关工艺参数对联合弧射流温度特性的影响.结果表明,联合...     

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.     

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。     

磁场对双丝间接电弧形态的影响

对双丝间接电弧在自身磁场及外加磁场变化的情况下,电弧形态随磁感应强度值的变化规律进行了研究.自身磁场变化通过改变两焊丝夹角角度实现,外加磁场由励磁线圈产生,对间接电弧施加横向及纵向磁场,磁场强度利用特斯拉计测出,并借助高速摄像系统对磁场变化时的电弧形态进行拍摄.研究表明,通过改变两焊丝夹角及施加横向磁场的方式,可使两焊丝所夹区域内外磁场强度之差变大,使得电磁力的外扩作用增大,电弧变细长;施加纵向磁场时,电弧在与两焊丝垂直的平面内发生偏转,其偏转程度随纵向磁场强度增加而增加.     

交变纵向磁场作用下MIG焊电弧行为研究

为了研究交变纵向磁场作用下MIG焊接电弧的物理特性,提高焊接质量,分析了交变纵向磁场作用下电弧带电粒子的受力情况和运动状态,并利用高速摄像手段研究了交变纵向磁场对电弧形态的影响。结果表明,无外加交变纵向磁场时,自由电弧稳定燃烧,电弧轴线与焊丝轴线相重合;当加入交变纵向磁场时,电弧围绕焊丝轴线做逆时针和顺时针交替变化的旋转运动,电弧轴线偏离焊丝轴线;随着励磁电流的增加,电弧的旋转半径增大,电弧偏离焊丝轴线的角度增大,电弧烁亮区域面积减小;当励磁电流为30 A时,电弧的最大偏转角度为45°,此时电弧燃烧变得不稳定,甚至息弧,焊接过程不稳定。     

等离子弧焊中电弧反翘现象的数值模拟

根据流体的质量、动量、能量守恒方程,建立了穿孔等离子弧焊接过程中的等离子电弧三维数学模型,用磁矢量法求解磁场问题.模型包括了一部分喷嘴和钨阴极,小孔也被包含进模型中.利用ANSYS有限元分析软件求解模型,得到等离子电弧的温度分布,以研究等离子弧焊中电弧反翘现象.结果表明,等离子电弧反翘随小孔尺寸的增大而减弱,电弧尾焰随小孔尺寸的增大而增强;而适当的增加焊接速度以使小孔轴线与电弧轴线之间形成一定的偏差是形成等离子电弧反翘现象的必要条件;焊接电流主要是通过改变小孔尺寸而对电弧反翘产生影响.     

外加磁场对CO2焊飞溅的控制机理

用纵向磁场控制CO2气体保护焊飞溅，以低碳钢Q235为试验对象，在不同焊接工艺参数下进行了有、无外加纵向磁场的焊接对比试验，并且改变外加磁场的大小，测试了不同磁感应强度下的焊接飞溅率。探讨了外加纵向磁场控制焊接飞溅的机理。试验表明，在一定的焊接规范下，外加纵向磁场能有效地控制CO2焊短路过渡中的焊接飞溅，获得较好的工艺效果；同时，存在一个最佳的磁场范围，在这个范围内，磁场对飞溅的控制效果较好。     

横向交流磁场频率对堆焊金属组织及性能的影响

在镍基堆焊合金等离子弧堆焊过程中引入横向交流脉冲磁场,研究了横向交流脉冲磁场频率对等离子弧堆焊层金属组织及性能的影响,并利用光学金相、x射线衍射、显微硬度和湿砂橡胶轮磨损试验等方法,系统分析了不同脉冲磁场频率作用下堆焊试样的硬度、耐磨性及组织.结果表明,外加横向交流脉冲磁场可以有效改善堆焊层金属的结晶形态,细化晶粒,在适当的脉冲磁场频率作用下,可以获得最佳的电磁搅拌效果,增加堆焊层金属中硬质相的数量,控制硬质相的生长方向,提高等离子弧堆焊层的硬度和耐磨性.

Abstract：

The nickel-base alloy was deposited on the low carbon steel by plasma arc surfacing with transverse magnetic field. The influence of transverse alternative pulsed magnetic field frequency on microstrueture and properties of plasma arc surfacing layer was researched. The hardness, wear resistance and micmstructure of surfacing layer at different pulsed magnetic field currents were systematically analyzed by optical electronic microscope, wear test and microscopic hardness test. The results indicated that the transverse alternative pulsed magnetic field can effectively improve the crystal shape in plasma arc surfacing layer and refine crystal grain. With the proper pulsed magnetic field frequency, the optimum effete of electromagnetic stirring can be obtained, the amount of hardening phase in overlay deposit is increased, the growth direction of hardening phase can be controlled and the hardness and wear resistance of the surfacing overlay are improved.