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中等功率直流电弧等离子体发生器设计测试及磁控技术研究

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中等功率直流电弧等离子体发生器设计测试及磁控技术研究

作者：赵星霖上海交通大学

学位级别：硕士

随着世界经济的不断发展,中国现已成为全球第二大经济体。伴随着经济增长的是废弃物产量的剧增。在新冠疫情席卷全球的背景下,对医疗废弃物的快速高效处理成为了急需解决的难题。为更好的响应政策需求,一种新型的等离子体技术逐渐走入... 详细信息

随着世界经济的不断发展,中国现已成为全球第二大经济体。伴随着经济增长的是废弃物产量的剧增。在新冠疫情席卷全球的背景下,对医疗废弃物的快速高效处理成为了急需解决的难题。为更好的响应政策需求,一种新型的等离子体技术逐渐走入大众的视野中。等离子体废弃物处理由于其高能量密度、高温、无污染的特点,越来越体现出在医疗废弃物处理的优越性。等离子电弧发生器(炬)为处理系统主体设备。但目前国内外学者或机构对电弧等离子体发生器的研究中,研究主体大多为大功率或极小功率条件。对于中等功率下的直流电弧等离子体发生器国内的研究仍较少,其工作特性仍不明朗。还未有较为系统的设计方案以实现技术转化。此外受制于等离子体电弧发生器高能量密度所带来的电极严重烧蚀等问题仍需进一步探索解决方案。本文通过自建设计理论,对发生器内部工作过程开展了深入研究与分析,比较了不同设计方式的优劣。通过大量文献中的工程经验数据对结构开展初步设计。从避免分流现象产生的原理出发,推导并提出了中间连接结构的设计准则。整体结构采用较为灵活的多级式结构,相比传统两极式结构具有很强的优越性。冷却采用一体化水冷方式,在降低电极壁面烧蚀同时减少结构的复杂性。为探究电弧等离子体发生器内部射流流动与换热特性,为点火测试实验提供理论指导,提出了一种基于FLUENT二次开发的计算方法,使用合理假设简化计算流程,减少资源的消耗。采用补偿压降计算方法,通过文献对比验证了计算方法的正确性。对设计发生器进行了数值模拟计算,获得内部流动换热特性,验证了设计的合理性。本文搭建了点火测试实验系统用以探究设计电弧发生器的实际性能表现。在空载电压350V,恒定输出电流为110A,气体流量为9-10L/min条件下成功实现点火,并有稳定射流从阳极喷出。伏安特性曲线呈现负阻特性。射流长度随气流量变化呈现出倒U形。通过实验数据,采用相似原理对发生器内部过程进行数学推导,提出用于计算伏安特性的实验关联式,在设计功率为13.2KW-21.168KW间具有很高的适用精度。对长寿命技术展开了探究,通过数值计算与实验的方式研究磁控技术对电极寿命的影响。实验表明阳极在外加磁场的作用下,烧蚀率降低了约14%。

关键词：电弧等离子体设计准则 FLUENT二次开发磁控技术

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基于图像处理技术磁控TIG焊熔池形态研究

基于图像处理技术磁控TIG焊熔池形态研究

作者：毕海波南昌航空大学

学位级别：硕士

随着科学技术的发展,焊接过程自动化和智能化成为焊接技术重要发展方向。磁控焊接技术作为近年来逐步完善起来的一种新型焊接技术,通过对电弧、熔滴、熔池施加干预,能有效的提高焊缝的机械性能,全面改善焊接质量。研究磁控焊接熔池形态... 详细信息

随着科学技术的发展,焊接过程自动化和智能化成为焊接技术重要发展方向。磁控焊接技术作为近年来逐步完善起来的一种新型焊接技术,通过对电弧、熔滴、熔池施加干预,能有效的提高焊缝的机械性能,全面改善焊接质量。研究磁控焊接熔池形态的主要目的是探究电磁力对熔池液态金属流动的作用机制,为进一步完善磁场作用焊接的机理与推广磁控焊接技术的应用奠定基础。本文以TIG焊为对象,在焊接过程中添加直流纵向磁场,通过实验选取合理的焊接工艺参数与磁场参数,借助高速摄影系统获取熔池边缘灰度变化明显的实时图像。利用Matlab软件对实验中采集的熔池实时图像进行中值滤波、图像增强、边缘提取、边缘拟合等数字图像处理,获得清晰的熔池边缘。对比实测熔宽与图像处理后计算得出的熔宽,两者最大误差0.18mm,误差率控制在10%以内,表明该图像处理算法是可行的,同时设立熔池形态几何参数,对不同磁场参数下熔池形态特征进行理论分析。结果表明:外加纵向磁场作用下,焊接电弧中带电粒子在洛伦兹力、等离子流力、热扩张力作用下产生高速旋转运动,引起焊接电弧在熔池表面扩张,温度分布曲线扩散,被焊工件表面受热源作用的金属范围变大,处在熔点以上金属量增加,宏观上表现为熔池增大,即熔池的最大宽度、最大长度、面积、周长等几何参数随着磁场参数的增加而增加。熔深是表征焊接质量的重要参数,利用BP神经网络建立熔深预测模型可为磁控焊接状态下熔池图像表面形态参数与焊缝质量之间的关系提供有益的探索。基于此,本文利用BP神经网络建立以焊接速度、励磁电流、焊接电流、图像处理获得的熔宽为输入,熔深预测值为输出的熔深预测模型。经对比,相同参数下焊接熔深实测值与熔深预测值之间最大误差0.1427mm,误差率控制在12%以内,表明该模型较好的预测了磁控TIG焊不同参数下的焊缝熔深。

关键词：磁控技术 TIG焊图像处理熔池形态熔深预测

基于磁控技术GTAW焊接残余应力的有限元模拟

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热加工工艺 2012年第7期41卷 112-114页

作者：钟其林江淑园陈焕明刘频南昌航空大学航空制造工程学院江西南昌330063

通过建立磁控GTAW电弧热源模型,同时考虑材料物理性能随温度的变化和相变的影响,以及运用生死单元技术处理熔池的熔化与凝固,对有无外加磁场作用GTAW焊接接头温度场及残余应力的大小分布进行了有限元模拟。结果表明,相较于无外加磁场作... 详细信息

通过建立磁控GTAW电弧热源模型,同时考虑材料物理性能随温度的变化和相变的影响,以及运用生死单元技术处理熔池的熔化与凝固,对有无外加磁场作用GTAW焊接接头温度场及残余应力的大小分布进行了有限元模拟。结果表明,相较于无外加磁场作用,磁控GTAW焊件最大纵向残余应力下降12.3%,最大横向残余应力下降了13.6%。采用小孔法对焊件残余应力进行测量,模拟结果与试验结果基本吻合。

关键词：磁控技术 GTAW 焊接残余应力有限元模拟

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磁控埋弧焊焊缝跟踪系统平台的优化设计

焊接技术 2012年第3期41卷 31-34页

作者：沈言锦株洲职业技术学院湖南株洲412001

利用磁控技术可以很好地解决埋弧焊的焊缝跟踪难题,但磁控埋弧焊的焊缝跟踪系统平台是研究的一个关键环节,本文在原有的设计基础上,对磁控埋弧焊的焊缝跟踪系统平台进行了优化设计,取得了很好的效果,值得借鉴。

关键词：磁控技术埋弧焊焊缝跟踪系统

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一种复合式磁控电抗器励磁系统

变压器 2013年第10期50卷 33-34页

作者：孙英明巩志强徐清丹东欣泰电气股份有限公司辽宁丹东118000

努力提高磁控电抗器的响应速度是磁控技术发展的迫切需要。近年来，各个磁控电抗器生产厂家、科研部门及大专院校相继推出了各种不同的励磁方案，总体看来是各有利弊。本文中介绍一种复合式磁控电抗器励磁系统．该励磁系统具有快速正向... 详细信息

努力提高磁控电抗器的响应速度是磁控技术发展的迫切需要。近年来，各个磁控电抗器生产厂家、科研部门及大专院校相继推出了各种不同的励磁方案，总体看来是各有利弊。本文中介绍一种复合式磁控电抗器励磁系统．该励磁系统具有快速正向励磁和反向强制退磁的双重功能．可以将磁控电抗器的响应时间由几百毫秒缩短至30毫秒。40毫秒。一个完整的励磁系统应包括励磁执行系统和励磁控制系统两部分．这里介绍的励磁系统专指励磁的执行部分。

关键词：磁控电抗器励磁系统复合式励磁控制系统磁控技术响应速度生产厂家大专院校

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磁控技术在焊接中的应用及进展

中国机械工程 2002年第21期13卷 1876-1879页

作者：江淑园陈焕明刘志凌南昌航空工业学院材料科学与工程系

介绍了电磁作用焊接技术的原理及特点 ,阐述了目前国内外磁控技术在改善金属的结晶组织及提高熔敷金属的各项性能、减小残余应力和在激光焊接中的应用及进展。研究了外加磁场对 CO2 焊短路过渡的控制。在一定的焊接规范下 ,外加纵向磁... 详细信息

介绍了电磁作用焊接技术的原理及特点 ,阐述了目前国内外磁控技术在改善金属的结晶组织及提高熔敷金属的各项性能、减小残余应力和在激光焊接中的应用及进展。研究了外加磁场对 CO2 焊短路过渡的控制。在一定的焊接规范下 ,外加纵向磁场能有效地抑制 CO2 焊短路过渡中的飞溅 ,获得较好的工艺效果 ;存在一个最佳的磁场范围 ,在这个范围内 ,控制飞溅的效果较佳。

关键词：磁控技术外加磁场气体保护焊激光焊焊缝质量

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基于磁控技术MIG焊接熔滴行为的模拟研究

基于磁控技术MIG焊接熔滴行为的模拟研究

作者：王小伟南昌航空大学

学位级别：硕士

焊接电弧形态及能量分布、焊接熔滴形态及过渡形式不仅对焊接工艺的适用范围有着重要影响，还影响着工件的热量分布，与焊接过程稳定性、焊缝组织结晶和力学性能、焊接残余应力等焊接质量问题密切联系。同时，熔滴的过渡形式、形态和过... 详细信息

焊接电弧形态及能量分布、焊接熔滴形态及过渡形式不仅对焊接工艺的适用范围有着重要影响，还影响着工件的热量分布，与焊接过程稳定性、焊缝组织结晶和力学性能、焊接残余应力等焊接质量问题密切联系。同时，熔滴的过渡形式、形态和过渡频率还决定着焊缝表面光滑度、焊缝成形以及焊接飞溅的大小。通过电磁作用控制焊接电弧形态、能量分布和熔滴过渡过程，是磁控焊接技术实现焊接质量优化的重要途径之一。监测和分析磁控焊接电弧和熔滴过渡过程，对解释磁控焊接技术机理、发展磁控焊接技术应用范围具有重要的现实意义。基于此，本文以MIG焊接电弧和熔滴为控制对象，在焊接过程中引入恒定纵向磁场，借助高速摄像系统观察和对比不同磁场强度作用下焊接电弧形态及熔滴过渡过程。同时，基于FLUENT流体分析软件，建立磁控焊接过程数学模型，采用有限元模拟与工艺试验相结合的手段，探讨外加磁场对MIG焊接电弧和熔滴过渡过程的影响规律。依据流体动力学和电磁学原理，建立了磁控MIG焊接电弧数学模型，以流体分析软件FLUENT为平台，结合UDF程序的二次开发，计算模拟了恒定纵向磁场作用下，MIG焊接电弧等离子流体速度场分布、电弧温度分布及电弧压力分布。在此基础上，使用MATLAB软件对电弧压力分布进行多项式拟合，参与磁控MIG焊接熔滴受力模型的构建，联合纳维—斯托克斯方程，完成磁控MIG焊接熔滴行为动态数学模型的建立。模型借助CSF连续表面张力模型处理熔滴表面张力项，使用VOF流体体积函数实现熔滴自由表面的跟踪和重建。磁控MIG焊接熔滴行为模型的计算结果显示了有无外加恒定纵向磁场作用时，焊接熔滴在长大至脱落过程中形态、内部速度场分布及过渡周期的变化。模拟结果和实验结果具有很好的一致性：合适的恒定纵向磁场作用下，MIG焊接电弧上部收缩、下部扩张，呈钟罩形，电弧温度和等离子体速度略有上升，电弧压力由无外加磁场时的高斯分布转变为中心降低、两端上突的双峰状分布;切向电磁力引起的熔滴旋转使MIG焊接熔滴直径增大、高度减小，呈绕自身轴线旋转的扁球形，熔滴过渡频率较无外加磁场时明显降低。同时，本文分析了产生上述变化的原因，对进一步揭示磁控焊接技术机理有一定的指导意义。

关键词：磁控技术 MIG焊接电弧形态熔滴过渡数值模拟

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基于磁控技术的TIG焊残余应力的研究

基于磁控技术的TIG焊残余应力的研究

作者：张学武南昌航空大学

学位级别：硕士

焊接过程中不均匀的温度场与温度梯度的存在,将不可避免的产生焊接残余应力,而残余应力直接影响着焊接结构承载能力、抗应力腐蚀、疲劳强度,以及后续加工过程中焊接残余应力的释放而导致的变形,最终影响结构的尺寸稳定性与精度。因此,... 详细信息

焊接过程中不均匀的温度场与温度梯度的存在,将不可避免的产生焊接残余应力,而残余应力直接影响着焊接结构承载能力、抗应力腐蚀、疲劳强度,以及后续加工过程中焊接残余应力的释放而导致的变形,最终影响结构的尺寸稳定性与精度。因此,对焊接残余应力的有效控制有着重要的现实意义。基于此,本文引入外加直流纵向磁场,以TIG焊接电弧为控制对象,通过改变磁场强度来调节电弧带电粒子的旋转半径,达到控制电弧中电流密度、电弧力以及电弧能量分布,调节焊接过程中温度场,实现焊接残余应力分布的优化,降低残余应力峰值。同时采用有限元模拟与试验相结合的手段,探索外加磁场对TIG焊接残余应力的影响规律。本文建立了TIG焊接电弧带电粒子在外加直流纵向磁场作用下运动模型,分析了磁控电弧中电流密度以及能量密度分布规律。根据磁控TIG焊接电弧的特点修正了外加直流纵向磁场作用TIG焊接高斯热源模型,以及根据熔合线准则建立了外加直流纵向磁场作用TIG焊接双椭球热源模型。基于热弹塑性有限元理论,以ANSYS软件为平台,Q235钢为研究对象,建立了非均匀网格划分三维模型,设计了引弧,热源移动,热力间接耦合程序,采用等效比热法与生死单元技术解决了凝固过程中一次相变与焊接熔化金属的零应力状态问题,采用所建立的磁控热源模型实现了磁控TIG焊接温度场与残余应力的模拟,得到任意时刻焊件温度分布云图、焊缝以及热影响区热循环曲线以及焊件表面残余应力分布情况。同时采用小孔法实测了磁控TIG焊Q235钢平板对接焊缝附近残余应力值。结果表明,直流纵向磁场作用下TIG焊接焊件温度梯度与温度峰值相比无磁场作用时有所减小,而熔宽有所增大,焊件表面残余应力明显得到均化,应力变化相对缓和,最大纵向残余应力相比无磁场作用时降低了12.3%,最大横向残余应力降低了13.6%,试验测量与模拟基本吻合,验证了模型的正确性,分析了误差产生原因。同时结合有限元模拟与试验结果探讨了磁控技术减小以及优化残余应力的规律与机理,为减小与消除残余应力提供一种新的途径。

关键词：磁控技术有限元法 TIG焊接残余应力小孔法

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带极堆焊带极电流磁控技术的试验研究

焊接 2005年第7期 32-35页

作者：高泽斌李春兰新疆农业大学乌鲁木齐市830052

利用模拟带极堆焊状态下带极电流对控制磁场存在与否及强度、位置变化的反应,应用电工学原理分析带极堆焊磁控技术。结果表明,在相同的电流、电压参数条件下,磁控装置的磁极所处位置、磁场强度会直接影响带极电流的分布,造成电流在带极... 详细信息

利用模拟带极堆焊状态下带极电流对控制磁场存在与否及强度、位置变化的反应,应用电工学原理分析带极堆焊磁控技术。结果表明,在相同的电流、电压参数条件下,磁控装置的磁极所处位置、磁场强度会直接影响带极电流的分布,造成电流在带极宽度方向上的改变。由此推断堆焊时电磁控制是磁场对电流分布状态的控制,进而控制电弧在带极宽度方向上的均匀性和稳定性,保证宽带极的稳定堆焊。

关键词：带极堆焊磁控技术电流试验研究位置变化原理分析电压参数磁控装置直接影响磁场强度分布状态电磁控制电工学稳定性均匀性宽度