文档介绍：江苏科技大学
硕士学位论文
超声频脉冲等离子切割方法及电弧物理研究
姓名:王晓梁
申请学位级别:硕士
专业:材料加工工程
指导教师:王加友
20080317
大摘要
学号: 05060320

文摘: 等离子弧切割是一种适用于金属材料的高效高质量热切割方法,在船
舶、桥梁、管道、机械等制造业中获得了广泛的应用。这种工艺一般采用直流电
弧进行切割,存在电弧挺度不够好、收缩程度不够大、电弧穿透力不够强等不足,
影响了等离子弧切割质量与效率。
已有脉冲等离子弧切割工艺所用脉冲频率较低,脉冲电弧噪声大,且其卓越
的工艺效能未能得到充分发挥,影响了其工程实用化。实际上,近年来随着电力
电子技术的发展,高频脉冲电源技术已有了长足的进步,超声频脉冲电弧焊接方
法已应运而生,这也为高频脉冲等离子弧切割技术的发展提供了机遇。为此,本
研究提出了一种超声频脉冲等离子弧切割新方法,并从一个崭新角度来探索等离
子弧的物理特性与切割工艺效果。
通过将小功率超声频脉冲电源与常规等离子弧切割电源并联,使超声频交变
信号经电容耦合进入切割电弧,实现了等离子切割电弧宽频带、低成本的超声频
脉冲调制,建立了超声频脉冲等离子弧切割试验系统。通过实际切割试验,测试、
分析了超声频脉冲等离子切割电弧的电信号时域特性、V-I 动态特性、振动特性
以及穿透能力,并探讨了脉冲参数对切口宽度、切口面斜角、平直度、切口挂渣、
切口硬度以及切割效率的影响规律,验证了超声频脉冲等离子弧切割系统的有效
性,并得出以下主要结论:
1. 脉冲电弧电压与电流信号基本同相位,但变化趋势各不相同。另外,
随着脉冲频率的增加,为保证相同的激励电流脉冲幅值,就必须增大
超声频脉冲电源的输入电压。
2. 受超声频脉冲电源输出特性以及电弧热惯性的影响,电弧动态 V-I 特
性曲线呈回线形,回线所包围面积代表了电源输出激励脉冲功率的大
小,它随着脉冲频率的增加而增大。
3. 在脉冲电流调制作用下,电弧和试件分别出现了与激励信号同频率的
超声频振动现象。试件受迫振动信号相位滞后于电流激励信号,其幅
值明显受到激励电流脉冲频率和幅值的影响。
4. 随着激励电流脉冲幅值的增大,电弧和试件受迫振动强度也随着增
大;当激励脉冲信号频率变化时,电弧在空气中的声发射信号强度基
本不变,而试件受迫振动强度则先增大后减小,并在脉冲频率为 40kHz
时达到最大值,出现了类似谐振现象。
5. 加入超声频脉冲,显著增强了电弧的挺度与穿透能力。超声频脉冲电
弧穿透能力,随着激励电流脉冲幅值的增加而增强,并在脉冲频率为
40kHz 时达到最大,这点类似于试件受迫振动信号特征。
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6. 随着激励电流脉冲频率的增加,上下切口宽度、切口面倾斜角和切口
平直度分别减小。并且,在加入超声频脉冲后,电弧后拖程度减小,
切口面割纹变细,电弧超声冲击作用使得切口挂渣明显减少、切口边
缘硬度降低。
7. 超声频脉冲等离子弧切割速度明显高于一般直流切割,特别是,在脉
冲频率为 40kHz 时,切割速度最大,达到了 300cm/min,比直流切割
时提高了 %。
8. 试验结果表明:所构建的超声频脉冲等离子弧切割系统,显著地提高
等离子弧切割质量与效率。
关键词:等离子弧切割;超声频脉冲电弧;电弧物理;超声频振动现象;
切割特性
大摘要
Abstract: Plasma arc cutting is an efficient high-quality thermal cutting methods, which has
been applied to metal cutting. It’s widely used in the ship, bridges, pipelines, and machinery
manufacturing sector. A direct current arc is currently employed in plasma cutting process, and
has the limitations of weaker stiffness and ration capability, thus affects the cutting quality
and efficiency.
The present pulsed plasma arc cutting technology used lower pulse frequency has great arc
noise, and the pr