直流磁场作用下铜蒸气对电弧特性的影响

为研究直流纵向磁场作用下金属蒸气对熔化极气体保护焊(gas metal arc welding,GMAW)电弧特性的影响,将钨铜复合材料制成特殊钨极代替熔化极产生铜蒸气,利用高速摄像法、光谱测温法以及小孔探测法对其进行了测试研究.结果表明,铜蒸气进入电弧等离子体后,电弧出现分层,随铜蒸气含量的增加,弧芯外围区域半径随之增加,弧芯区的尺寸减小.当铜含量为0%时,外加直流磁场后,电弧在阴极区收缩阳极区扩张,其轴向最高温度明显上升;电弧压力峰值偏离轴线,在外加磁场强度为0.015 T时呈现双峰分布,电流密度与电弧压力分布趋势相似;随着铜蒸气的介入,弧芯区电弧表现为阴极区收缩,阳极区扩张,弧芯周围的铜蒸气则明显收缩,电弧轴向最高温度上升的幅度明显降低.随着铜含量的增加,电弧的导电面积增加,环向电磁力作用减弱,电弧中心压力下降幅度显著降低,阳极电流密度的分布趋势逐渐趋于扁平化.     

脉冲偏压电弧离子镀鞘层尺度演化的特性与分析

基于一维平板鞘层模型,建立了脉冲偏压电弧离子镀（PBAIP）鞘层随时间演化的动力学模型,给出了其解析表达式,并结合PBAIP工艺中等离子体参数的测量结果,模拟分析了PBAIP鞘层的厚度和鞘层中的离子流密度随时间的演化规律及其受脉冲偏压幅度等参数的影响．结果表明：在PBAIP工艺中,稳态鞘层的厚度及形成稳态鞘层的时间均远小于已报道的等离子体源注入（PSII）等鞘层对应的值;PBAIP鞘层的扩展几乎是实时跟随脉冲偏压的变化,脉冲偏压下每一时刻的鞘层厚度与对应直流偏压下的鞘层厚度几乎相等．     

非转移弧等离子体炬传热与流动的数值模拟

以非转移弧等离子体炬为研究对象,对等离子体电弧和阳极的传热与流动进行了数值模拟,并求解了质量方程、动量方程、能量方程、电势方程和磁场方程,获得了等离子体弧的温度、速度和电流密度分布。计算结果表明,阳极内壁面温度变化不大;等离子体炬出口处径向温度和速度分布类似抛物线形分布;提高进气速度或减小电弧电流,均使得电弧阳极斑点向下游移动。     

喷嘴孔径对等离子弧焊影响的数值分析

等离子弧焊喷嘴孔径对熔池影响极大,合理的喷嘴孔径是获得良好焊接质量的前提。根据磁流体动力学理论建立压缩等离子弧焊电弧的数学模型,采用ANSYS软件对焊接电流100 A时不同约束喷嘴孔径的三维稳态等离子焊接电弧进行数值模拟,获得了其焊接电弧的温度分布、电弧轴线上等离子速度分布、阳极表面径向压力和热通量的分布形态。结果表明,约束喷嘴孔径与电弧温度、等离子速度、电弧压力和热通量成线性关系,为不同焊接工件和焊接要求下喷嘴结构设计提供了理论依据。     

GMAW熔滴过渡行为数值分析及试验验证

基于FLUENT软件,考虑热分析,选用VOF模型,针对纯氩气保护直流熔化极气体保护焊(GMAW)熔滴过渡行为进行数值模拟,分析熔滴过渡不同时刻对应电弧温度、电势、热通量等物理量的变化规律. 结果表明,电弧最高温度呈现周期性变化趋势;电势分布随着熔滴行为变化而变化,而在熔滴脱落之后,电流不再流经脱落熔滴. 热通量最大值出现在中心部位,沿径向距离减小. 为验证模拟结果准确性,开展焊接试验,利用LabVIEW信号采集系统采集焊接电流和电弧电压波形,借助高速摄像设备拍摄实时电弧形态和熔滴过渡过程,从而有效、定量验证模拟结果准确性. 比较结果表明模拟结果同试验结果二者吻合良好,文中熔滴过渡数学模型是合理的.     

直流脉冲辉光冷等离子体氢还原金属氧化物的特性研究

利用直流脉冲电场下产生的非平衡等离子态的氢对CuO进行了强化还原实验,考察等离子体的固有化学特性对还原过程的影响.在体系压力450Pa、温度200℃的条件下,分子态的氢不能还原CuO,而等离子态的氢可还原CuO得到金属Cu.随着还原时间的增加,等离子态的氢还原CuO得到金属Cu层厚度的变化随着试样放置方式的不同呈现不同的规律,等离子体鞘层的变化对还原速率有很重要的影响.还原层厚度随时间的变化可以分为三个阶段,前两个阶段的反应速率主要受制于到达氧化物表面氢活性粒子流的通量,活泼的等离子体氢在反应产物层向反应界面的扩散是第三阶段的速率限制性环节.     

CO2激光作用对直流TIG电弧温度的影响

在CO<,2>激光垂直穿过TIG电弧条件下,对激光作用电弧前、后的电弧等离子体局部光谱特征进行了分析,并采用波尔兹曼图法计算了电弧局部电子温度,研究了激光对电弧等离子体轴向温度分布影响的基本规律.结果表明,激光作用电弧后,电弧等离子体的光谱特征保持不变,但整体辐射强度增加;从激光作用位置到阳极区间的电弧温度升高,而靠近...     

不同电流密度下的TIG焊电弧行为分析

文中以TIG焊电弧为研究对象,通过流体力学和电磁学耦合理论建立了不同电流密度下的二维轴对称数学模型. 通过Fluent用户自定义函数(UDF)二次开发,对自由状态下的TIG焊电弧行为进行了数值模拟,获得了不同电流密度下的TIG焊电弧热场和流场的分布规律. 结果表明,TIG焊电弧阴极温度较高,在较大的电流密度下,阴极区域存在较大的电势差,等离子体受到向下向内的电磁力增大,造成其最大运动速度增大,对阳极造成了强有力的冲击,形成较大的电弧压力. 同时验证了TIG焊电弧的热场呈现典型钟罩形态,在焊接过程中氩气比热容在钟罩电弧内部存在带状低谷区域.     

基于计算机仿真的双钨极间接气体保护焊接电弧参数分布

采用计算机仿真方法、针对间接电弧的参数分布特点对双钨极间接气体保护焊进行了数值模拟研究。该焊接方法节能、高效且焊接工件的变形小,但热输入却很低。为了分析其热输入较低的原因,首先利用有限元软件建立了间接电弧的有限元模型,并计算电弧的一系列特征参数,并与实测结果进行对比。结果表明:双钨极间接电弧具有面对称特征,且电弧偏向阳极方向,呈倒钟罩形态。阴极区电弧参数均小于阳极区。与等离子弧焊和钨极惰性气体保护焊(TIG)相比,在该焊接方法中被焊工件并不与电极相连,主要靠弧柱区端部加热,该区域较低的电弧压力、热流密度和等离子体流速使得工件的热输入低,且熔深浅。     

双钨极TIG电弧压强分布及其与等离子体喷射的关系

建立一个三维的统一的双钨极TIG焊模型,利用磁流体动力学理论对双钨极、电弧、阳极三个区域进行统一求解,获到双钨极电弧的压强分布,探究等离子体喷射与对电弧压强的关系。研究发现,双钨极TIG在钨极下方、阳极上方以及两束等离子体流交汇处存在较大的电弧压强,这些高压区的形成与等离子体喷射存在因果关系。计算发现,双钨极TIG焊在阳极表面上的最大压强远小于单钨极TIG焊的,这为双钨极TIG焊的应用提供了一些理论基础。     

气体流量和耦合度对GPCA-TIG焊电弧特性影响的数值模拟

根据磁流体动力学理论和组分守恒建立气体熔池耦合活性TIG焊电弧二维数学模型,采用简化阴极边界层模型将阴极与电弧耦合求解,计算得到了不同外层氧气流量与耦合度下电弧等离子的温度、氧气分布、阳极表面电流密度和热流密度等特征参数。结果表明,与TIG电弧相比,气体熔池耦合活性TIG电弧收缩,流速增大,阳极表面电弧压力升高;增大外层氧气流量或增大耦合度,电弧最高温度均上升,氧气向电弧区域扩散趋势更明显,电弧形貌略有收缩,阳极表面电流密度与热流峰值均略有增大。     

STUDY ON THE TRANSPORT MECHANISM IN THE ANODE BOUNDARY LAYER OF WELDING ARGON ARC

1. IntroductionThere exists a very thin transition domain between the arc plasma and the workpiecein TIG welding (D.C., workpiece-positive). This domain is called as the anode boundary layer within which there are very steep temperature gradient and various transportphenomena, such as energy, momentum and mass t.ansfe.11]. The complicated physicalprocesses occurred in the anode boundary layer directly dominate the values and distribution of current density and heat flux on the workpiece surf…     

熔化极脉冲氩弧焊熔滴滴落过程的分析

采用数字图像处理技术,对熔化极脉冲氩弧焊熔滴滴落过程的高速摄像图片进行了处理,提取了熔滴的边缘轮廓并获得了熔滴质心的变化坐标,得到了熔滴滴落过程中速度变化曲线. 结果表明,熔滴在弧柱区的滴落过程为匀加速,而在近阴极区和近阳极区却是减速的,且近阴极区减速幅度较大;并对熔滴在弧柱区的受力过程进行了定量分析,其主要受到等离子体流拉力和重力的作用,以及对近阴极区进行了相关的定性分析,其速度的减小主要是因为金属熔池蒸气反力的阻碍作用和等离子体流拉力的减小,理论分析与试验结果较为吻合.     

Modelling of electromagnetic processes in system 'welding arc–evaporating anode' Part 2 – model of arc column and anode metal

Abstract

A mathematical model of electromagnetic processes occurring in the 'arc column–anode region–evaporating anode' system is suggested. Electric charge transfer processes in the multicomponent plasma of the electric arc and in the bulk of the metallic anode are described using the Ohm's law and charge conservation law generalised for a case of discontinuity of the electric field potential at the boundary between the arc plasma and the anode surface. A procedure was developed for finding the numerical solution of the stated problem by the shock capturing method, allowing modelling of the electromagnetic processes in the 'welding arc–evaporating anode' system in the presence of a reverse potential jump in the anode region (negative anode drop). Results of modelling of the said processes for gas metal arc and plasma transferred arc welding of steel in an inert gas (Ar) atmosphere are given.     

双丝夹角对双丝间接电弧特性的影响

建立了双丝间接电弧的三维有限元数学模型,分析了不同双丝夹角对双丝间接电弧特性的影响.利用高速摄像机拍摄电弧图片与计算结果对比,以验证计算结果的准确性.结果表明,双丝间接电弧的温度、速度和电流密度等电弧参数在阴极区和阳极区较高,在弧柱区较低,弧柱区下端最低;随着双丝夹角的增加,双丝间接电弧的温度、速度、电流密度在阴极区、阳极区以及弧柱区上端增加,在弧柱区下端下降;上述电弧参数的变化率在阴极区和阳极区大于弧柱区,阳极区大于阴极区,弧柱区上端大于弧柱区下端;双丝间接电弧的偏转程度随着双丝夹角的增加而增加.     

Ar与H2混合气体保护下GTAW电弧特性数值模拟

针对Ar与H₂混合气体保护下GTAW焊接电弧的传热与流动特性,建立基于磁流体动力学的二维轴对称数学模型,结合麦克斯韦方程组与流体动力学理论对电弧的温度、电势、电弧压力以及电流密度等进行求解,又分别将传统氩弧与氩氢混合气体保护下电弧的阳极热进行分析与对比.结果表明,加入10%氢气后的电弧轮廓较传统氩弧略微收缩,电磁力增至约传统氩弧的2倍,温度、等离子体流速、电势、电流密度等都明显增大,导致更多热量传递给阳极,在一定程度上提高了焊接热效率.可为高效GTAW焊接工艺的进一步开发提供理论参考.     

气体放电热源喷涂技术的数值模拟研究现状∗

热喷涂技术是表面工程领域中极为重要的一种装备强化修复技术，其中以气体放电形式为热源的喷涂技术包括等离子喷涂和电弧喷涂，两者更是占据热喷涂领域的绝大市场份额，采用数值模拟可以解决一些在试验上较为棘手的重点研究问题， 如等离子体流场和熔滴传热传质行为等，以期实现工艺参数的准确调控和优异涂层的制备。研究电弧及等离子喷涂模拟的模型差异化问题及流场速度、温度、电磁性质，归纳相关模拟的发展历程，并调查试验与模拟的吻合程度。结果表明：电弧喷涂中丝材原料会使阴阳极产生温度差，水平速度分布较发散，熔滴模型也多未考虑熔滴群间相互作用；等离子喷涂研究中常用的三维瞬态双温模型已十分贴近实际工况，对熔滴飞行中的加热、加速过程及破碎行为的研究已较为完备，但仍存在湍流模型计算精度不够、对鞘层弧柱区的研究不够深入等问题。后续应重点在电弧喷涂多液滴模型、等离子体电磁作用和等离子丝材喷涂工艺的数值模拟等方面进行深入研究。     

基于分裂阳极法的电弧电流和电弧力的联合测试系统

焊接电孤的电流密度和电弧压力的分布特征对焊接工艺有重要的影响.以分裂阳极法为基础,开发了一套电弧电流和电弧力的联合测试系统,包括电弧的精密运动控制和高精度的数据采集系统.采用Matlab进行数据处理和数值分析,获得焊接电弧的电流密度和电流压力的分布特征.采用本系统分别对直流等离子弧和直流TIG电弧进行了测试,测试结果表...     

A critical analysis of weld heat input measurement through a water-cooled stationary anode calorimeter

Comprehensive models of heat transfer require specification of the total amount of heat received by the workpiece. The objective of this work was to critically examine the use of a water-cooled stationary anode calorimeter to obtain both arc efficiency and total heat input into the workpiece. For simplicity and clarity, this last quantity is called the gross heat input. The effects of current, material type and water flow rate on the calorimeter performance were determined experimentally. Some measures for reducing errors in calorimetry were evaluated. Improvements were made to reduce heat losses from the top surface of the test coupon and boost heat removal from the opposite surface. A sensitivity test was conducted to estimate the effect of measurement inaccuracies. The results demonstrate the effectiveness of calorimetry for measuring gross heat input in arc welding.