厚大构件磁再约束高能等离子弧类激光切割工艺机理

基本信息
批准号:51875212
项目类别:面上项目
资助金额:60.00
负责人:王振民
学科分类:
依托单位:华南理工大学
批准年份:2018
结题年份:2022
起止时间:2019-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:吴祥淼,张芩,韩雷刚,朱磊,谢芳祥,范文艳,韦俊好,张福彪,周豪
关键词:
磁控电弧熔融金属流动行为等离子弧切割弧特性厚板类激光切割
结项摘要

There is urgent need of high quality, high efficiency and fine cutting technology for thick workpieces in the large equipment manufacturing industries such as the marine and offshore engineering construction,the nuclear power plant construction and the petro-chemical pressure vessel manufacturing engineering, and so on. From the basic principles of plasma formation and plasma cutting technology, a novel magnetic field confined high energy laser plasma cutting technology with additional longitudinal and cross magnetic field effects is proposed based on the interaction between the arc plasma and the magnetic field. Considering the new characteristics of magnetic field confined high-energy laser plasma arc behavior and the dynamic removal process of the molten metal, a three dimensional transient turbulent mathematical model based on the Prandtl mixing-length theory and the MHD theory, in which unit the confined magnetic field, the laser plasma and the workpiece, is established. Through the combination of the numerical simulation and process experiment research, the heat transfer characteristic and the flow characteristic of the laser plasma jet as well as the flow mechanism of the molten metal are explored, and the effects of the optimized matching relation between the confined magnetic field parameters and the cutting process parameters on the forming quality of cut mouth are revealed. The Internal mechanism of the homogeneous movements of the cathode arc spots and the expansion of the arc root under the confined magnetic field effect is illustrated, and the way to improve the electrode erosion behavior under the condition of the thick workpiece cutting process is obtained. The above research can deeply reveal the process mechanism of the proposed magnetic field confined high energy laser plasma cutting technology which can be used to optimize the control of the dynamic forming process of the cut mouth, promote the deep integration of the technology and equipment, and improve the cutting process effect for the thick workpieces.

针对海工船舶、核电能源、石化容器等装备制造业对厚大构件优质、高效、精细热切割的迫切需求,从切割等离子弧形成及其基础工艺原理出发,基于电弧等离子体与磁场的可作用性,提出了纵横向交叉磁场再约束高能等离子弧类激光切割新工艺。综合考虑磁再约束等离子弧射流新特性以及厚板熔融金属动态去除过程,建立基于Prandtl混合长度理论和MHD效应的再约束磁场-等离子弧-工件全局相统一的三维瞬态湍流数学模型;将计算模拟和实验研究相结合,深入探索磁再约束等离子弧射流与工件的相互作用以及熔融金属流动与去除机制,揭示再约束磁场参数与切割工艺参数的优化匹配关系及其对切口成形质量的影响规律;探索再约束磁场驱动作用下的阴极电弧斑点运动与弧根扩展规律,掌握改善阴极局部烧蚀行为的新方法。项目研究可深入揭示磁再约束等离子弧类激光切割新工艺的物理本质,实现厚板类激光切割工艺质量的预测与优化,提高厚大构件等离子弧热切割的质量和效率。

项目摘要

针对海工船舶、核电能源、石化容器等装备制造业对厚大构件优质、高效、精细热切割的迫切需求,开展了厚大构件磁再约束高能等离子弧类激光切割工艺机理研究。项目优化设计了机器人等离子弧切割系统及其磁再约束装置,搭建了厚大构件磁再约束高能等离子弧类激光切割实验平台;在此基础上,采用高速摄像等实验手段分析了在磁再约束条件下等离子弧射流形态的变化规律,获得了磁再约束等离子弧切割工艺的基础数据。建立了磁再约束装置和等离子切割电弧的物理模型和数学模型,并采用Ansys和Maxwell等有限元及电磁仿真软件对磁约束等离子切割弧进行了联合仿真,分析并探索了磁约束方式的变化、磁场的调节对等离子电弧的温度场、压力场及其流动场的变化产生影响的机制。进一步明确了外加纵向磁场对等离子弧射流具有良好的收缩作用,可增加等离子弧的电流密度,强化等离子体中各种粒子的碰撞效果,显著改变阳极等离子弧的压力,会直接影响等离子弧切割工艺效果。项目将理论分析与实验研究相结合,较系统地揭示了磁再约束等离子弧类激光切割新工艺的物理本质,为优化等离子切割工艺、改善等离子弧切割效果提供了理论依据和技术支撑。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

基于SSVEP 直接脑控机器人方向和速度研究

基于SSVEP 直接脑控机器人方向和速度研究

DOI:10.16383/j.aas.2016.c150880
发表时间:2016
2

端壁抽吸控制下攻角对压气机叶栅叶尖 泄漏流动的影响

端壁抽吸控制下攻角对压气机叶栅叶尖 泄漏流动的影响

DOI:
发表时间:2020
3

基于分形维数和支持向量机的串联电弧故障诊断方法

基于分形维数和支持向量机的串联电弧故障诊断方法

DOI:
发表时间:2016
4

动物响应亚磁场的生化和分子机制

动物响应亚磁场的生化和分子机制

DOI:10.13488/j.smhx.20190284
发表时间:2019
5

卡斯特“网络社会理论”对于人文地理学的知识贡献-基于中外引文内容的分析与对比

卡斯特“网络社会理论”对于人文地理学的知识贡献-基于中外引文内容的分析与对比

DOI:10.13249/j.cnki.sgs.2020.08.003
发表时间:2020

相似国自然基金

1

用激光全息法研究强电弧和等离子弧的机理

批准号:58670149
批准年份:1986
负责人:陈球武
学科分类:E05
资助金额:4.00
项目类别:面上项目
2

高能量密度激光等离子体中磁重联发起机制的研究

批准号:11674146
批准年份:2016
负责人:董全力
学科分类:A2204
资助金额:72.00
项目类别:面上项目
3

磁旋滑动弧空气等离子体耦合催化固氮的机理研究

批准号:51806193
批准年份:2018
负责人:吴昂键
学科分类:E0603
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
4

磁约束聚变等离子中高能量粒子湍流和输运的大规模数值模拟研究

批准号:11075159
批准年份:2010
负责人:张文禄
学科分类:A2901
资助金额:50.00
项目类别:面上项目