空心陰極中心負壓電弧的物理特性與電弧行為

《空心陰極中心負壓電弧的物理特性與電弧行為》是依託北京工業大學，由蔣凡擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：空心陰極中心負壓電弧的物理特性與電弧行為
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蔣凡
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

課題提出空心陰極中心負壓電弧這一新型熱源，採用空心陰極燃弧，使陰極腔內為負壓狀態，在電弧中形成中心到周圍壓力遞增的反向壓力梯度，部分電漿進入陰極腔內形成熱離子陰極增強電子發射能力，利用大氣壓力對電弧進行壓縮使熱源邊界的能量梯度增大，使電弧的能量分布在中心區域均勻且邊界迅速下降，從而增強電弧的工藝特性。課題對電弧的流動、光譜、形態和電信號進行綜合觀測採集，研究局部負壓下的電弧行為和放電特性，建立空心陰極中心負壓電弧的多場耦合模型，探索局部負壓對電弧能量傳遞的影響規律，研究腔內電漿在低氣壓下與空心陰極電子發射的互動作用機制；基於局部負壓與電弧的作用機制建立調節電弧能量分布的減量調控方法，實現對電弧熱源徑向截面不同空間區域能量密度和能量梯度的綜合調控，從而改善傳統焊接電弧的物理屬性及其能量分布，有效規避加工誤差的影響和能場疊加的複雜耦合機制，減小電弧冗餘能量輸出對焊縫成形和組織的影響。

結題摘要

自2016項目啟動以來，圍繞“空心陰極中心負壓電弧的物理特性” 的主題，依次從空心陰極中心負壓電弧放電特性、空心負壓電弧溫度場/流場耦合建模、空心負壓電弧熱力輸出特性等方面展開研究，解決的關鍵問題和創新性研究成果概述如下：根據電弧可分離這一現象，使用空心陰極燃弧並使陰極腔內成負壓狀態，驗證了新型熱源的可行性。建立了電弧圖像信號與電信號的同步採集系統，研究了圖像信號變化過程中伴隨的電信號變化，探明了拘束電弧形成的機理。建立了空心陰極電弧模型，研究了電弧電漿與非平衡環境力場的相互作用機制，探明了在局部負壓下電弧的電信號傳遞及熱力傳輸機制，根據實驗測量結果修正了空心陰極中心負壓電弧的數學模型，通過電場與流場的耦合建模，揭示了局部負壓對電弧放電行為與等離子流向的影響機理。空心陰極中心負壓電弧的突出優勢是可實現電弧的熱力調控，以工件端熱力輸入為研究對象，採用定量實驗測量與定性焊縫表征相結合的思路，研究了各工藝參數對中心負壓電弧的熱力輸出規律。開發了中心負壓焊接系統，最佳化了空心陰極燃弧結構的穩定性，通過局部壓力輔助調控改善了焊接接頭形貌與微觀形態，為空心陰極中心負壓焊接熱源的工程套用奠定了堅實的基礎。總結研究結果，已發表論文12篇，其中國際期刊論文（SCI）10篇、EI論文2篇。申請國家發明專利12項，其中授權7項。在課題研究過程中培養研究生6人，其中博士生2人；獲得職稱晉升1人。