【摘要】：等离子弧切割(PAC)以其高效、应用范围广、切割面光洁以及热变形小等特点,成为最常用的热切割方法之一,但它在中/厚板切割应用时仍存在大量的工艺难题,如坡口斜角大、挂渣多等。磁再约束等离子弧切割是一种优化和改进的热切割工艺方法,它通过外加磁场来改变等离子弧的物理特性,优化等离子弧与工件之间的热量和动量交换过程,从而改善切割质量,但目前已有的相关研究都停留在工艺试验以及薄板切割方面,还缺乏对中/厚板磁再约束等离子弧切割工艺的深入研究。在国家自然科学基金项目(项目编号:E51375173)、广东省工业高新技术领域科技计划项目(项目编号:2013B010402007)等项目的资助下,本文以纵向磁场再约束空气等离子弧切割工艺为研究对象,以提高中/厚板切割质量和降低二次加工成本为研究目的,将数值模拟和工艺实验相结合,研究了基本切割工艺参数和外加纵向磁场对切割过程及切口质量的影响规律。论文首先阐述了课题背景,分析了等离子弧切割工艺的研究现状及发展趋势,重点分析了磁再约束等离子弧切割技术的研究进展。然后,针对现有研究的不足之处,提出了磁再约束等离子弧切割工艺的数值模拟方法,基于磁流体动力学,建立控制方程组,设计了合适的计算区域并定义了边界条件,建立了切割等离子弧与工件统一分析的数值模型。其次,基于SIMPLE算法,采用Fluent软件研究了切割电流、气体流量等重要过程参数和外加纵向磁场的磁感应强度对电弧等离子体的温度场、流场及工件熔化区域分布等的影响规律。最后,通过等离子弧切割工艺实验和高速摄影研究,对切割工艺过程进行了分析,探索了基本切割工艺参数(切割电流、气体流量、切割速度等)和磁场装置的励磁电流对切口质量(坡口斜角、表面粗糙度、切口宽度等)的影响规律。数值模拟为切割工艺优化提供了理论依据,工艺实验也验证了数值模型的可靠性。结果表明,切割电流和气体流量会显著影响切割等离子弧的温度场和速度场,它们会通过改变等离子弧对工件的热输入和动量输入来影响切口成形质量;喷嘴高度和切割速度都会对切割质量造成一定的影响,合适的参数值才能保证高质量的切口;当外加纵向磁场的磁感应强度较小时,电弧等离子体的温度场和轴向速度分量变化较小,但周向速度分量会随磁感应强度增大而明显增大,旋转运动提高了切割等离子弧的稳定性和挺度,改变了工件两侧的受热平衡,可用来控制工件切口的坡口斜角。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG483
【参考文献】
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2562225
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