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作者：佟浩东北京石油化工学院

学位级别：硕士

在工业领域中,等离子电弧因其弧柱能量集中、温度高,几乎可以熔透任何金属的优异性能而得到迅速发展。近年来,等离子弧切割技术的研究趋近于成熟,但对于高压环境(大于0.1MPa)等离子弧切割技术的研究尚处于萌芽阶段,高压环境下等离子弧... 详细信息

在工业领域中,等离子电弧因其弧柱能量集中、温度高,几乎可以熔透任何金属的优异性能而得到迅速发展。近年来,等离子弧切割技术的研究趋近于成熟,但对于高压环境(大于0.1MPa)等离子弧切割技术的研究尚处于萌芽阶段,高压环境下等离子弧电离行为的研究理论尚不成熟,高压环境下等离子弧切割的工艺研究较少。本文以《大埋深高水压盾构刀盘机器人等离子弧切割技术研究》项目为研究背景,研究适用于高压环境下的等离子弧切割技术,探究高压环境等离子弧电离行为的变化,摸索高压环境下的等离子弧切割工艺。本文采用高频高压引弧技术和非高频引弧技术,通过对现有商品化等离子弧切割机的改进优化,分别实现了0.6MPa环境压力与1MPa环境压力下的引弧切割,克服了高压环境下不起弧、引弧难的问题。研究表明:随着环境压力的升高,切割质量逐渐变差。通过控制变量试验,研究了不同工艺参数对切割质量的影响。对于等离子切割质量评价的多指标问题,采用综合评分法,合理确定权重比;通过正交试验,利用直观分析法得出了0-0.7MPa高压环境下最优的切割工艺参数。研究表明:在电源激励能量达到要求时,随着环境压力的升高,送气压力成为影响切割质量的主要工艺参数。利用焊接相机系统,进行了不同高压环境下的等离子弧形态研究。电弧形态分析表明:随着环境气氛压力的增大,等离子弧挺度下降,稳定性变差。结合正交试验数据,并对比切口正反面外观数据,发现电弧逐渐收缩,长度变短,切口宽度呈增加状态,但是趋势不太显著。为进一步分析高压环境等离子电弧行为的变化与切割质量之间的关系,以磁流体动力学(MHD)为基础,构建了等离子电弧模型,对ANSYS FLUENT仿真软件进行接口的二次开发,完成了等离子电弧数值仿真。等离子电弧的温度场分布与速度场分布数值仿真结果表明,随着环境气氛压力的增大,电弧收缩、稳定性变差。工件的温度场分布数值仿真结果表明,切口宽度增加,但是增加趋势较小,割口平面度变差。因此,电弧收缩,但切口增宽,这个现象得到了合理的解释。数值仿真结果与试验结果之间,具有较好的一致性。

关键词：高压环境等离子弧电离行为引弧切割工艺仿真试验

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高气压环境等离子弧行为与工艺研究

引用

焊接学报 2023年第6期44卷 82-89,I0008页

作者：李勇佟浩东高辉周灿丰北京石油化工学院北京102600 北京市高等学校能源工程先进连接技术中心北京102600

等离子弧切割技术因其高效稳定的工艺优势被广泛应用于工业领域.文中以空气等离子弧为研究对象,通过COMSOL Multiphysics软件建立了喷嘴结构的二维轴对称有限元数学模型,并对电弧磁流体模型进行了优化.基于磁流体动力学和电弧等离子体理... 详细信息

等离子弧切割技术因其高效稳定的工艺优势被广泛应用于工业领域.文中以空气等离子弧为研究对象,通过COMSOL Multiphysics软件建立了喷嘴结构的二维轴对称有限元数学模型,并对电弧磁流体模型进行了优化.基于磁流体动力学和电弧等离子体理论,选用等离子平衡放电多物理场接口,并确立了空气等离子电弧模型的控制方程和边界条件,实现对电弧模型的编译求解.仿真结果表明,在引弧电流一致的条件下,随着环境压力的增加,电弧在温度分布和速度分布上均呈现收缩的态势.基于3 MPa高压焊接试验舱,搭建了高压环境等离子弧切割实验系统,通过对气路和非高频引弧电路的优化设计,实现了环境压力为0.1~0.7 MPa的稳定起弧.并基于此开展了高压梯度下的等离子弧切割实验,并结合切割质量指标研究了环境压力对等离子弧电离行为的影响.

关键词：高压环境等离子弧电离行为引弧切割工艺仿真试验

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