空心阴极中心负压电弧的物理特性与电弧行为

A novel arc source named hollow cathode central negative pressure arc has been proposed in this subject. Hollow cathode is used to ignite arc, and negative pressure is formed in the cavity of cathode, to produce a reverse pressure gradient so that the pressure in the arc increase from the center to the surroundings. Part of arc plasma moves into the cathode cavity to strengthen the electron emission of the electrode, environmental pressure is used to compress the arc, in order to achieve the goal of distributing energy evenly in the center and increasing boundary energy gradient of the arc. Based on the comprehensive information observation and collection of the novel arc, this subject will study the arc behavior and discharge mechanism of this novel arc, and establish the multi fields coupled model, to explorer the influence law of pressure on the arc and the electron emission mechanism on the interaction between plasma and hollow cathode in low pressure. The reduction control method of arc energy distribution will be set up based on the action mechanism between the arc and the partial negative pressure, in order to control the energy density and gradient in different areas of the arc. This subject will improve the physical properties and the energy distribution of the traditional welding arc, avoid the influence of processing errors and complex coupling mechanism of energy field superposition, and reduce the impact of excess energy from arc on welding formation and structure.

课题提出空心阴极中心负压电弧这一新型热源，采用空心阴极燃弧，使阴极腔内为负压状态，在电弧中形成中心到周围压力递增的反向压力梯度，部分等离子体进入阴极腔内形成热离子阴极增强电子发射能力，利用大气压力对电弧进行压缩使热源边界的能量梯度增大，使电弧的能量分布在中心区域均匀且边界迅速下降，从而增强电弧的工艺特性。课题对电弧的流动、光谱、形态和电信号进行综合观测采集，研究局部负压下的电弧行为和放电特性，建立空心阴极中心负压电弧的多场耦合模型，探索局部负压对电弧能量传递的影响规律，研究腔内等离子体在低气压下与空心阴极电子发射的交互作用机制；基于局部负压与电弧的作用机制建立调节电弧能量分布的减量调控方法，实现对电弧热源径向截面不同空间区域能量密度和能量梯度的综合调控，从而改善传统焊接电弧的物理属性及其能量分布，有效规避加工误差的影响和能场叠加的复杂耦合机制，减小电弧冗余能量输出对焊缝成形和组织的影响。

自2016项目启动以来，围绕“空心阴极中心负压电弧的物理特性” 的主题，依次从空心阴极中心负压电弧放电特性、空心负压电弧温度场/流场耦合建模、空心负压电弧热力输出特性等方面展开研究，解决的关键问题和创新性研究成果概述如下：根据电弧可分离这一现象，使用空心阴极燃弧并使阴极腔内成负压状态，验证了新型热源的可行性。建立了电弧图像信号与电信号的同步采集系统，研究了图像信号变化过程中伴随的电信号变化，探明了拘束电弧形成的机理。建立了空心阴极电弧模型，研究了电弧等离子体与非平衡环境力场的相互作用机制，探明了在局部负压下电弧的电信号传递及热力传输机制，根据实验测量结果修正了空心阴极中心负压电弧的数学模型，通过电场与流场的耦合建模，揭示了局部负压对电弧放电行为与等离子流向的影响机理。空心阴极中心负压电弧的突出优势是可实现电弧的热力调控，以工件端热力输入为研究对象，采用定量实验测量与定性焊缝表征相结合的思路，研究了各工艺参数对中心负压电弧的热力输出规律。开发了中心负压焊接系统，优化了空心阴极燃弧结构的稳定性，通过局部压力辅助调控改善了焊接接头形貌与微观形态，为空心阴极中心负压焊接热源的工程应用奠定了坚实的基础。总结研究结果，已发表论文12篇，其中国际期刊论文（SCI）10篇、EI论文2篇。申请国家发明专利12项，其中授权7项。在课题研究过程中培养研究生6人，其中博士生2人；获得职称晋升1人。