直流电弧热等离子体制备纳米镍粉过程的数值模拟

研究镍粉颗粒在直流电弧热等离子体中的汽化过程可以为优化热等离子体纳米镍粉的制备工艺提供参考。本文通过对磁流体力学方程和颗粒热动力学方程的耦合求解,研究了原料粒径、工作气流量及送粉速率等参数对镍粉颗粒在直流热等离子体中的运动行为及加热过程的影响效应。研究表明,粒径较小的颗粒在高温区内停留的时间更长,从等离子体中吸收到的热量更多,因此能够在更短的时间内被加热到完全汽化;降低工作气流量及送粉速率均可以增加镍粉颗粒从热等离子体中获得的能量,这对于提升颗粒的汽化率,改善最终制备的纳米镍粉品质是有益的。     

直流电弧等离子体法制备纳米铁粉

采用自行研制的高真空双枪直流电弧金属纳米粉连续制备系统，制备了纯度较高的纳米铁粉。采用L16（4^3）正交实验的方法研究了各工艺参数对粉体产率及平均粒径的影响。利用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和相应选区电子衍射（SAED）试手段对样品的成分、形貌、晶体结构等进行了表征。利用SimplePCI软件测定了样品的平均粒径。结果表明：制备的纳米铁颗粒具有明显的球状形态，在静磁力的作用下呈现出链状分布；纳米铁粉的尺寸分布较窄，平均粒径在29～86nm范围内；电流是影响产率的主要因素，而充气压力是影响粒度分布的主要因素。     

激光-电弧复合热源及等离子体模拟研究现状

激光-电弧复合焊作为一种新型高效复合焊接工艺,受到国内外学者的广泛重视。综述了激光-电弧复合焊热源耦合机理及数值模拟热源模型,详细介绍了复合热源模型的应用及等离子体的模拟现状,指出了建立激光-电弧复合焊统一的数学模型是未来研究的新方向。     

焊接电弧等离子体热学特性测量方法的研究进展

测量焊接电弧等离子体的温度、粒子密度等参数,有助于深入理解和研究焊接电弧等离子体的物理性质,从而为寻找提高焊接质量、改善焊接工艺的新途径提供了基础数据。文中介绍了几种常用的接触法和非接触法的使用原理和工作特点,比如Langmuir探针法、热电偶法、光学干涉法、光谱分析法等,着重介绍了焊接电弧等离子体的光谱理论原理和几种光谱测量方法,主要阐述和分析了计算焊接电弧温度场的三种方法的测量原理和优缺点,如标准温度法、谱线相对强度法(双线法、Boltzmann作图法)和谱线绝对强度法,这三种方法使用的条件和焊接环境各不相同。这些计算方法有助于测量焊接电弧等离子体的温度场分布,有助于在实际研究过程中选择合适的等离子体测量方法和计算手段。     

小孔型层流电弧等离子体焊接温度场数值模拟

根据层流电弧等离子体射流的特性及小孔焊接的特点,建立了一种新型焊接热源模型,它利用衰减函数表征热流密度在工件厚度方向上的变化;针对焊接时焊缝处复杂的温度变化,采用非均匀网格对单元进行划分.在考虑材料热物理性参数随温度变化及相变潜热的情况下,对焊接过程进行了数值分析,并对小孔型层流电弧等离子体焊接工艺进行了探索研究.结果表明,控制焊接功率可以实现对小孔熔池最高温度的控制;而焊接速度对小孔熔池的形成有着决定性作用.     

直流氢电弧等离子体蒸发法制备纳米锡粉

采用高纯锡,通过自行设计的直流电弧等离子体蒸发设备制备了纯净的纳米锡粉。利用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（ED）以及Simple PCI软件对样品的成分、形貌、晶体结构和粒径分布进行了分析。结果表明：在本文制备工艺参数条件下,该设备可以成功制备平均粒径为26至49nm的纳米锡粉;粉体的产率和粒径随充气压力升高而增大。所制备的纳米锡粉颗粒细小,纯净,为多晶结构;通过分析不同腔体内的粉体粒径,发现距离钨电极越远,所形成的颗粒尺寸越大。     

直流氢电弧等离子体蒸发法制备纳米Cu粉

采用99.99%的高纯Cu,通过自行设计的直流电弧等离子体蒸发设备实现了高产率纳米Cu粉的制备.系统研究了电流、氢氩比、充气压力3个工艺参数对纳米Cu粉产率及粒度的影响.利用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（ED）以及Simple PCI软件对试样的成分、形貌、晶体结构和粒径分布进行了分析.结果表明,电流和氢氩比（H2/Ar）分别是对粉体产率和平均粒径影响的显著性因素;所制备的纳米铜粉为多晶结构,平均粒径在29～116 nm范围内;在试验参数相近的情况下,产率比同类研究结果提高了26.65倍.     

VAR过程电弧等离子体的电磁特性研究

依据磁流体动力学及等离子体物理学理论,建立三维有限元模型对VAR过程电弧区电磁场进行数值模拟,并以此分析其对铸锭质量的影响.结果表明,熔炼电极底部的电流密度和电磁力均最大;随着径向距离的增加,熔池表面的电流密度逐渐减小,焦耳热逐渐降低;弧长较大时,熔池表面的电磁力几乎不变;弧长较小时,随着径向距离的增大,电磁力先增大后减小.熔池表面的焦耳热随着弧长的增加而降低,但当弧长由45 mm增至50 mm时,焦耳热降低并不明显.弧压的增加会使得熔池表面的焦耳热增大.     

直流电弧等离子体喷射法制备金刚石涂层拉拔模具

线材拉拔加工正向精密、高速、低耗、高生产效率方向发展,金刚石涂层拉拔模具是最受用户青睐的产品之一。在综述直流电弧等离子体喷射技术制备金刚石涂层拉拔模具方法的基础上,利用洛氏硬度计、表面粗糙度轮廓测量仪、拉曼光谱仪和光学显微镜进行涂层质量检测。检测结果显示:金刚石涂层的纯度和厚度均匀性均较好;在1 470 N载荷下薄膜压痕的边缘区域无严重裂纹及薄膜脱落现象, 其表面粗糙度R_a平均值为18 nm。      

钛合金VAR过程电弧等离子体流场的数值模拟

依据磁流体动力学理论,运用ANSYS有限元分析软件对真空自耗电弧熔炼过程电弧区流场进行数值模拟.结果表明:在阳极熔池表面熔炼电弧的温度最高,且其附近电弧区压力随着径向距离的增大而增大,而在熔炼电极表面附近,电弧区压力随着径向距离的增加而减小;弧间距的减小不仅使电弧区的流体流动速度减小,而且还导致环路流动范围减小且向坩埚壁靠近.当电极直径为280 mm,熔炼电压为30 V时,理想熔炼弧长可控制在25～40 mm.     

穿孔等离子弧焊接中等离子云的检测

应用天体物理等离子鞘层理论的知识，分析金属板测量尾馅时产生电压和探针测量等离子云时产生电压的原因。当把探针放置在等离子云中，由于等离子体的特殊性，将在探针上产生了负电位，与工件电位差就是鞘层电压，并给出鞘层电压的计算公式，通过分析发现，鞘层电压大小仅仅与检测处等离子体温度和成分有关。提出了一种用无电源探针检测等离子云的新方法，通过检测等离子云中探针上产生的鞘层电压是否为零来判断小孔是否形成。试验验证了鞘层理论在等离子弧焊接中应用的正确性，同时给出了探针放置的最佳位置。     

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.     

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.     

不锈钢PA-GTA双面弧焊工艺特点分析

详细分析了不锈钢等离子弧(PA)-钨极氩弧(GTA)双面弧焊(DSAW)的工艺特点,该工艺可以增加熔深,减小焊后热变形,尤其适用于中厚板的焊接.当小孔效应建立后,PA-GTA双面弧焊过程中的电弧均得到了不同程度的压缩,两焊枪之间的电弧电压出现下降趋势,节省了能源.形成小孔后,电弧穿过工件从工件内部进行加热,提高了热效率.表面张力、电弧吹力和电磁搅拌力均有利于获得较大的熔深,浮力有利于增加焊缝中间部位的宽度.     

铝合金等离子弧立焊穿孔熔池的计算机模拟

根据流体力学理论和传热学机理，建立了运动等离子弧作用下立焊穿孔焊接熔池流场和温度场的三维瞬态数值分析模型，并采用有限元法对模型进行离散化处理。模型中，考虑了熔池内部液态金属的对流传热和熔池外部的固体导热、材料热物理性能参数随温度的变化、焊件表面通过对流和辐射向周围环境的散热以及熔化／凝固相变潜热对熔池流场与温度场的影响，焊接热源采用高斯分布函数，计算中对边界条件进行了处理，根据穿孔熔池温度场与流场模型的特点，采用非均匀网格对单元进行划分，并采用分区异步长算法确定时间步长，利用ANSYS(一种有限元计算软件)有限元软件对所建立的模型进行了求解。通过试验测量焊缝几何尺寸与计算结果相比较，验证了本模型的计算结果和实际相差不大，是基本正确和可靠的。     

Pulsed plasma arc cladding

A prototype of Pulsed Plasma Arc Cladding system was developed, in which single power source supplies both transferred plasma arc (TPA) and non-transferred plasma arc (N-TPA). Both plasmas work in turn in a high frequency controlled by an IGBT connecting nozzle and workpiece. The working frequency of lGBT ranges from 50～7000 Hz, in which the plasmas can work in turn smoothly. Higher than 500 Hz of working frequency is suggested for promotion of cladding quality and protection of IGBT. Drag phenomenon of TPA intensifies as the frequency goes up, which tends to increase the current proportion of TPA and suppress N-TPA. The occupation ratio of IGBT can be regulated from 5%～95%, which balances the power supplies of both plasmas. An occupation ratio higher than 50% gives adequate proportion of arc current for N-TPA to preheat powder.     

直流电弧等离子体蒸发法制备超细锌粉

采用自行研制的高真空三枪直流电弧等离子体蒸发金属纳米粉体连续制备设备,通过控制阴极电流大小制备不同粒径的超细锌粉。利用X射线衍射(XRD)、X射线荧光分析(XRF)、透射电子显微镜(TEM)和相应的选区电子衍射(SAED)以及Simple PCI软件等测试手段对样品的晶体结构、成分、形貌和粒径分布进行表征。结果表明:等离子体法制备的超细锌粉纯度(质量分数)高达99.945%,粒径分布窄,分散性好,颗粒以球状为主,夹杂少量六方形态;超细锌粉的晶体结构与块体材料相同,为六方结构,晶格常数略有收缩;当其他参数恒定,工作电流从150 A增加到300 A时,超细锌粉的平均粒径从165 nm增加到596 nm,产率从2 258.55 g/h提高到7 027.20 g/h。     

变极性等离子电弧形态对电弧力的影响

研究了变极性等离子弧焊接工艺中,电弧形态及力学行为随焊接过程变化的现象,提出了变极性等离子电弧力学行为随电弧形态的改变而变化的规律。通过高速摄像以及对电弧力和电流的同步检测,证实了联合型等离子弧在反极性时间内易形成双弧的事实。     

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.     

Simulation research on heat-affected zone of the NiTi alloy plasma arc welded joints

In order to study the compositions and properties of NiTi alloy plasma arc welded joints, different temperatures of the heat-affected zone(HAZ) are simulated. Temperatures are set at 20 ℃, 400 ℃, 500 ℃, 600 ℃, 700 ℃, 800 ℃, 900 ℃ and 1 000 ℃. X-ray diffraction results of the thermal simulated specimens show that NiTi2 phase emerges in the alloy when the temperature is between 500 ℃ and 800 ℃, while NiTi2 and Ni3 Ti phases emerge when the temperature is between 800 ℃ and 1 000 ℃. Tensile strengths of specimens at 600 ℃ and 900 ℃ are only 68.0% and 61.3% of the strength at the roomtemperature respectively due to the emergence of NiTi2 and Ni3Ti phases.