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1、江苏科技大学硕士学位论文双层涡旋气流等离子弧切割工艺及机理研究姓名：朱征宇申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王加友20080101摘 要 I摘 要 等离子弧切割具有适用范围广、切割速度快、精度高、成本低等优点，广泛应用于船舶、桥梁、机械等重型装备及钢结构制造。本文研究了切割工艺参数对双层涡旋气流等离子弧切口质量的影响，从而为正确制定相关切割工艺，以提高切割质量和效率提供指导。试验结果表明：随着切割速度的增大及切割电流的减小，切口上下宽度减小、斜角增大；切割速度及电流增大，切口面挂渣程度减小。同时， 低速侧切口面斜角小、 挂渣多， 适当切割速度下可以获得接近垂直的切口。此外，双层氧气
2、等离子弧切割，切口面光洁、挂渣少，但上下口宽度大，且在低速切割时切口容易出现锯齿波状和负倾角；双层空气等离子弧切割时，得到单侧垂直切口的切割速度范围最宽。 另外，本文通过合理假设，建立了等离子切割电弧的数学模型，并利用ANSYS 软件对电弧的温度场和流场进行了数值计算与分析，为后续对双层涡旋气流等离子切割电弧的数值计算打下基础。计算结果表明：电弧温度和内部粒子流速，分别随着沿轴线距离的增大，总体呈现先增大后减小的趋势；与等离子焊接电弧相比，等离子切割电弧温度分布显得更为集中。此外，随着切割电流的增大和喷嘴孔径的减小，电弧平均温度上升，且电弧内部粒子流速增大。计算结果与理论及有关文献基本符合。
3、关键词：双层涡旋气流，等离子弧切割，切口质量，有限元法，ANSYS Abstract II Abstract Plasma arc cutting has the advantages such as a wide application, fast cutting speed, high tolerance and low cost, and has been widely applied in dockyards, bridges, as well as machineries of other heavy equipment industries and constructions of
4、 steel structure. This paper discusses the effects of parameters on the kerf quality of plasma arc cutting to correctly adjust the parameters of dual swirling plasma arc cutting, to provide theoretical basis for improving the kerf quality and cutting efficiency. The experimental results show that wi
5、th the cutting speed increases and the current decreases, the width of kerf decreases and the bevel angle increases. The dross attached level obviously decreases with the cutting speed and current increases. At the same time, the bevel angle of low speed side obviously bellows that of high speed sid
6、e, however, the dross attached is opposite. We can obtain a vertical kerf on one side when the cutting speed is appropriate. In addition, when we use dual Oxygen, the kerf has a smooth cut surface and less dross attached. However, the width of kerf increases and the kerf gets a shape like sawtooth a
7、nd a negative bevel angle easily under the low cutting speed. The range of cutting speed to get a vertical kerf on one side is mostly wide under the dual air condition. In addition, this paper establishes a numerical model of the arc in plasma arc cutting according to reasonable assumptions and simu
8、lates the temperature and velocity field of the arc using ANSYS in order to give a basis to simulate the arc in dual swirling plasma arc cutting. The calculation results show the temperature of arc and velocity of particles generally first increases then decreases with the axis distance increases. B
9、esides, compared of the plasma arc welding, the distribution of the temperature of the arc in the plasma arc cutting is more concentrated. Moreover, the average temperature of the arc and the velocity of particles increases with the cutting current increases and the nozzle hole diameter decreases. T
10、he calculation results correspond to the current theories and related data in the other papers. Key words: dual swirling gases, plasma arc cutting, kerf quality, FEM, ANSYS 论 文 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得江苏科技大学或其它教育机构的学位或证书而使
11、用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期： 学 位 论 文 使 用 授 权 声 明 江苏科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿，可以将学位论文的全部或部分上网公布， 有权向国家有关部门或机构送交并授权其保存、上网公布本学位论文的复印件或电子文稿。本人电子文稿的内容和纸质论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 研究生签名： 导师签名： 日 期： 日 期： 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 1.1 等离子弧切割工艺及其特点 1.1.1 等离子弧概念 1.1.1.1 等离子体的
12、概念 等离子体是由电子、正离子、负离子和中性原子所组成，对外呈电中性的电离气体，也称为物质的第四态。产生等离子体的方法很多，其中热致电离方法是产生等离子体的一种最简单、最有效的方法。当气体物质被加热到足够高的温度时，气体中中性粒子热运动加剧，当粒子具有足够高的能量时，它们之间的碰撞就会导致粒子的电离。由于正离子和负离子加电子的数量相等，总体呈电中性，因此称为等离子体14。 1.1.1.2 等离子弧的分类及特点 等离子弧是一种压缩电弧。根据回路中电弧形成的方式，可将等离子弧分为三种类型5。 (1) 非转移型等离子电弧 电弧在电极和喷嘴之间形成，工件不接入电路，亦即电弧不转移到工件上，经喷嘴压缩的
13、等离子体以喷流形态流向工件。这种电弧称为非转移型等离子电弧。 因非转移弧离开喷嘴后能量密度急速衰减，且工件不接电，故热量的有效利用率低（约 10%20%） 。一般只适用于切割（或焊接）较薄的金属和非金属材料、喷涂或作为熔融金属和非金属的热源。 (2) 转移型等离子弧 电弧在电极和能导电的工件之间形成。这一电弧的形成过程是：先借助高频发生器和导引电源在焊（割）炬的电极与喷嘴之间点燃导引电弧（一种小电流电弧，也称小弧） ，使阴极与阳极间的工作气体迅速电离，然后把电极与工件间的主电弧引燃。一旦主电弧建立，控制回路即把导引弧切断。这种由非转移弧转引的电弧称为转移型等离子电弧或直接称为等离子弧。 (3)
14、 联合型等离子弧 电弧在电极（阴极）与喷嘴（阳极）和工件（阳极）之间同时建立，亦即非转移型和转移型等离子电弧相结合的形态。 非转移型小弧在工作中起稳定电弧和补充加热的作用，因而联合型等离子弧的电流小至 0.1A时焊接过程仍很稳定。 第一章 绪 论 2 1.1.2 等离子弧切割工艺原理及特点 1.1.2.1 等离子弧切割工艺原理及组成 等离子弧切割原理与一般氧乙炔焰的切割原理有着本质的不同。 氧乙炔焰主要是靠氧和部分金属的化合燃烧和氧的吹力，使部分金属脱离基体而形成割缝。因此氧乙炔不能切割熔点高、导热性好、氧化物熔点高和粘滞性大的金属。而等离子弧切割是利用高能量密度的等离子弧和高速的等离子流，
15、将熔化金属从割口处吹除，形成连续割口的过程。由于其弧柱的温度远远超过目前绝大部分金属及其氧化物的熔点，所以它可以切割的材料很多。 图 1.16是一般等离子弧切割法所用设备组成的方框图。 实际上，在等离子弧切割过程中，电弧受到三种压缩作用。 (1) 通过喷嘴孔约束电弧柱，使其截面缩小，从而提高气体的电离度和电弧的能量密度。这种压缩作用，称为“ 机械压缩效应” 。 (2) 由于喷嘴是通水冷却的，沿喷嘴内壁流动的气体的温度相对较低，电离度不高。因此形成了一个热导率和电导率低、几乎是中性的气体套筒。这一气体套筒使喷嘴内的气体沿径向形成了相当大的温度梯度，迫使带电粒子向电离度高、导电性好的弧柱集中，于是
16、弧柱进一步受到压缩，电离度更高。这种因气体温度梯度压缩电弧的效果，称为“ 热收缩效应” 。 (3) 因电弧柱所载电流是同向电流，这一电流所形成的磁场，按左手定则对电弧产生收缩作用，使其进一步缩小，能量密度进一步提高。这种由电弧磁场产生的效应，称为“ 磁收缩效应” 。而且这一效应的强度与通过载图 1.1 等离子弧切割用设备组成 Fig. 1.1 Composition of the equipment for plasma arc cutting 电 源冷却水源控制箱操作盘气 瓶供气管供 水 管电 缆工 件割 炬供气管水冷电缆电 缆出水管第一章 绪 论 3 流体的电流平方成正比，电流越大，磁收缩效应也越强。 等离子电弧在这三种压缩效应作用下能量高度集中、温度高、流速快，弧态近似于圆柱， 挺度好， 可以使用各种气体作为工作种类， 功率及特性调节
