面向PLASMA-FIX51的微束等离子弧稳态过程数值模拟与实验验证

发布时间：2020-10-09 06:39

　　 微束等离子弧具备能量密度高、外形挺直、作用范围小且稳定等特点,可以应用在超薄板、小尺度精密焊接上,在金属材料表面微熔、表面抛光等处理上有巨大潜力。但是微束等离子弧在作用过程中物理现象复杂,且受到诸多因素影响,很难直接通过实验手段测得其物理场分布和影响因素的作用。随着仿真模拟技术的快速发展,利用数值仿真来解决该问题变得可以实现。本文就实际中所采用的PLASMA-FIX51微束等离子发生器的焊枪结构与实验参数进行数值模拟研究,确定各影响因素的作用效果。首先,根据磁流体动力学原理,利用商用仿真软件COMSOL建立二维微束等离子弧模型,模型一比一还原实际中焊枪结构,在确定合适的边界条件后,研究在输入电流为直流的条件下,微束等离子弧的电场特性、磁场特性、温度场特性以及流动场特性。详细阐述了微束等离子弧中各物理场的分布特性及其独特的机械压缩效应、电磁压缩效应和热压缩效应。其次,模拟研究了工艺参数和微束等离子炬的结构参数对于物理场分布的影响,其中包括输入电流、离子气和保护气的流量、微束等离子弧作用距离以及薄壁喷嘴的内缩径、钨极形状和尺寸等因素。并简要研究了在施加脉冲的条件下,微束等离子弧温度场的时变特性以及其具有滞后性的特点。最后,通过光谱测定法对模拟结果的准确性和精度进行了验证。基于自行搭建的光谱信息采集平台,使用点扫描法对微束等离子弧进行定点定位信息提取,结合美国国家技术标准对光谱信息进行标定。基于玻尔兹曼作图法将所采集的光谱信息转化为微束等离子弧的温度场信息,与模拟结果进行比对,其误差值稳定在17%以内。通过斯塔克展宽法分层逐点计算微束等离子弧中各位置的电子密度,并结合电子温度、电子密度探讨了微束等离子弧在能量输入的特点。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG456.2
【部分图文】：

弧数值模拟研究由于其喷嘴构造的存在，其温度场相较于无约弧、非转移弧、联合弧三种状态，不同学者采用等建立二维非转移弧，其模型如图 1-1 所示。通，热平衡方程和电流连续性方程来获得模拟结热分布情况以及电磁力分布情况，因此可以更在模拟过程中发现电磁力对于速度场的影响很弧焰形态影响很大。立稳态下的等离子焊模型，耦合了温度场和流数值模拟，并利用 LaserStrobe 系统，捕捉了熔验证了实验结果与模拟预测的结果相当接近，其

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【参考文献】

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1 王晓霞;何建萍;林杨胜蓝;吉永丰;;等离子弧焊接电弧的温度场和流场研究现状[J];轻工机械;2015年05期

2 孟建兵;徐文骥;董小娟;尹占民;;基于多物理环境顺序耦合法的联合弧特性分析[J];焊接学报;2011年08期

3 石s

本文编号：2833356