呂 程 余德平 劉方圓 熊志強(qiáng) 鐘彥杰 姚 進(jìn)

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院 成都 610065）

熱等離子體由于具有高溫、高熱焓、高能量密度等特性被廣泛應(yīng)用于納米材料制備、深孔噴涂、粉末球化、表面淬火、危廢處理[1-5]等領(lǐng)域。為了滿足不同的應(yīng)用要求，從結(jié)構(gòu)方面電弧等離子體發(fā)生器分為三種不同的類型[6—10]：單陽極發(fā)生器、臺階式陽極發(fā)生器和分段式陽極等離子體發(fā)生器。分段式陽極等離子體發(fā)生器的主要特點(diǎn)是通過在陰極和陽極之間插入多個(gè)中間電極來增加電弧長度。從而有以下兩個(gè)顯著特點(diǎn)：(1)在固定功率下，電弧長度較長使得弧電流相對較低，導(dǎo)致電極的燒蝕程度相對較低。(2)分段式陽極等離子體發(fā)生器不僅可以避免大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生[11]，而且提高了等離子體射流的穩(wěn)定性。

當(dāng)分段式陽極等離子體發(fā)生器正常工作時(shí)，電弧在陰極和陽極之間燃燒。根據(jù) Steenbeck最小弧壓原理[12-13]，等離子體電弧總是穩(wěn)定在弧壓為最小值的狀態(tài)。當(dāng)分段式陽極等離子體發(fā)生器中間極的內(nèi)徑減小或中間極的長度增大或工作參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)時(shí)，原先的電弧會被新生成的兩段串聯(lián)電弧所取代，一段電弧連接著陰極和中間極，另一段電弧連接著中間極和陽極，在中間極上產(chǎn)生一個(gè)新的陽極弧根和一個(gè)新的陰極弧根，即雙弧現(xiàn)象。該現(xiàn)象造成中間極的嚴(yán)重?zé)g和等離子體射流的波動(dòng)。過增元[14]在 1979年提出在非轉(zhuǎn)移弧型的多級陽極等離子體發(fā)生器中，也會發(fā)生類似于雙弧的所謂串弧現(xiàn)象。高陽等人[15]對雙陽極等離子體發(fā)生器中的雙弧現(xiàn)象進(jìn)行了初步的研究，并定性地討論了雙弧現(xiàn)象的預(yù)防措施。但是，很少有對分段式陽極等離子體發(fā)生器中的雙弧現(xiàn)象進(jìn)行過深入的報(bào)道。然而，國內(nèi)外學(xué)者對等離子體切割炬中的雙弧現(xiàn)象研究較多。在等離子體切割炬中，噴嘴位于陰極和陽極之間，陽極是待切割的工件。當(dāng)工作參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)時(shí)，弧電流會從陰極流向噴嘴，再流向工件，最終導(dǎo)致在噴嘴處產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象。為了研究等離子體切割炬中的雙弧現(xiàn)象，Nemchinsky等人[16]提出了一種雙弧現(xiàn)象的觸發(fā)機(jī)制和驗(yàn)證該機(jī)制的實(shí)驗(yàn)方法。Prevosto等人[17-18]提出了等離子體切割炬中雙弧現(xiàn)象的物理解釋，并闡述了雙弧現(xiàn)象出現(xiàn)在低氣流量處的原因。Kruczinin等人[19]確定了發(fā)生雙弧現(xiàn)象的電流臨界值。上述關(guān)于等離子體切割炬中雙弧現(xiàn)象的報(bào)道，為深入研究分段式陽極等離子體發(fā)生器中雙弧現(xiàn)象提供了一定的理論依據(jù)。

曹修全等人[20]分析了層流等離子發(fā)生器中的雙弧現(xiàn)象，并初步提出了雙弧現(xiàn)象的抑制措施，但缺乏對產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)論證。本文通過實(shí)驗(yàn)研究了氣流量、弧電流和中間極的內(nèi)徑對產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象的影響，旨在對其設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇提供一些理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的分段式陽極等離子體發(fā)生系統(tǒng)如圖1所示，主要由供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和分段式陽極等離子體發(fā)生器組成。供氣系統(tǒng)由LF400S氣體質(zhì)量流量控制儀精確控制氣體流量，將工作氣體通入等離子體發(fā)生器。冷卻系統(tǒng)采用風(fēng)冷柜式冷水機(jī)組，將去離子水冷卻至20℃供給等離子發(fā)生器和電源。電源系統(tǒng)采用直流等離子體電源，以 90% 的轉(zhuǎn)換效率將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電供給等離子體發(fā)生器。采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)和射流圖像采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6210獲得瞬時(shí)工作弧壓；射流圖像采集系統(tǒng)采用 CCD相機(jī)等圖像采集設(shè)備，實(shí)時(shí)采集等離子體射流圖像信息。

圖1 分段式陽極等離子體發(fā)生系統(tǒng)示意圖

分段式陽極等離子體發(fā)生器的示意圖如圖2所示，主要由陽極、中間極1、中間極2、中間極3、引弧環(huán)、絕緣環(huán)、陰極頭、陰極座、陰極冷卻管等組成，且各部分之間用絕緣環(huán)絕緣并單獨(dú)通水冷卻，以延長電極的使用壽命。

圖2 分段式陽極等離子體發(fā)生器示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

為了研究氣流量g、弧電流I、中間極的內(nèi)徑d對分段式陽極等離子體發(fā)生器產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象的影響，分別采用兩種不同的分段式陽極等離子體發(fā)生器（SPT），工作參數(shù)如表1所示。為了使分段式陽極等離子體發(fā)生器產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象，將圖2中任一中間極的軸向長度設(shè)置為30 mm，而其他中間極的軸向長度設(shè)置為13 mm。以氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w，通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流量低于6 L/min時(shí)，等離子體射流波動(dòng)較大，不利于等離子體發(fā)生器的長期運(yùn)行。因此以每次降低2 L/min的速率，將氣流量由18 L/min降低到6 L/min，并記錄每組參數(shù)對應(yīng)的弧壓值和射流圖像信息。

當(dāng)分段式陽極等離子體發(fā)生器產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象時(shí)，弧壓的急劇下降伴隨著射流長度的驟短。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)?shù)入x子射流長度或弧壓出現(xiàn)急劇下降時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉電源系統(tǒng)以避免中間極的嚴(yán)重?zé)g。通過拆開SPT觀察中間極端面的燒蝕情況，如果存在嚴(yán)重的燒蝕痕跡，將拍攝中間極的端面圖來記錄雙弧現(xiàn)象的發(fā)生。

表1 兩種分段式陽極等離子體發(fā)生器的工作參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 弧壓

分段式陽極等離子體發(fā)生器1在不同氣流量下弧壓的變化特性曲線如圖3所示。可以看出，當(dāng)弧電流一定時(shí)，弧壓隨著氣流量減小而下降。例如，當(dāng)弧電流為 100 A，氣流量從 18 L/min下降到 6 L/min時(shí)，弧壓從181 V降低到166 V，并且弧壓隨氣流量下降的平均下降速率為1.25 V/(L·min-1)。原因是當(dāng)弧電流一定時(shí)，減小氣流量使工作氣體對電弧的壓縮作用減弱，導(dǎo)致電弧電阻的橫截面積減小，使得電弧電阻減小，從而弧壓降低。當(dāng)氣流量一定時(shí)，工作弧壓隨著弧電流的增大而增大，原因是弧電流的增大使得電弧溫度升高，導(dǎo)致電弧電阻減小，由于電弧電阻的減小率高于弧電流的增加率，因此弧壓隨著弧電流的增大而減小。

圖3 分段式陽極等離子體發(fā)生器1的弧壓特性曲線

弧壓的變化可以直觀地反映雙弧現(xiàn)象的產(chǎn)生。當(dāng)弧電流為140 A，氣流量從18 L/min 下降到10 L/min時(shí)，弧壓從178 V降低到165 V，弧壓隨氣流量下降的平均下降速率為1.63 V/（L·min-1）。然而，當(dāng)氣流量從10 L/min下降至8 L/min時(shí)，弧壓從165 V急劇地下降到159 V，弧壓隨氣流量下降的平均下降速率為 3 V/（L·min-1），幾乎是氣流量在 18 L/min～10 L/min范圍內(nèi)弧壓下降速率的1.8倍?；撼霈F(xiàn)這種急劇變化的原因如下。當(dāng)分段式陽極等離子體發(fā)生器正常工作時(shí)，在電弧和中間極之間形成一層冷氣膜，然而當(dāng)弧電流為140 A，氣流量從10 L/min下降至8 L/min即當(dāng)I=140 A ，g=8 L/min時(shí)，工作氣體對電弧的壓縮逐漸減弱，使弧柱直徑增加，導(dǎo)致冷氣膜厚度的減小。此時(shí)，冷氣膜的厚度可能很薄，而其擊穿電壓與冷氣膜的厚度成正比，因此冷氣膜的擊穿電壓減小且低于電弧與中間極之間的電勢差，最終導(dǎo)致雙弧現(xiàn)象的產(chǎn)生。電弧在陰陽極之間燃燒時(shí)，電弧與每段中間極之間存在不同的電勢差，尤其在中間極的出口位置它們之間的電勢差達(dá)到最大值，因此在中間極的出口處最可能產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象。正是由于雙弧現(xiàn)象的產(chǎn)生，弧柱長度急劇減小，使得電弧電阻減小，導(dǎo)致弧壓驟降?？梢缘贸?，當(dāng)氣流量較低或弧電流較大時(shí)，分段式陽極等離子體發(fā)生器越容易產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象。

分段式陽極等離子體發(fā)生器2在不同氣流量下弧壓的變化特性曲線如圖4所示。當(dāng)弧電流一定時(shí)，弧壓隨著氣流量的減小而降低。特別的是，當(dāng)弧電流為140 A，氣流量從18 L/min減小至6 L/min時(shí)，弧壓以恒定速率從160 V降低至144 V。在這個(gè)過程中，沒有出現(xiàn)弧壓的驟降，意味著SPT 2沒有產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象。以上兩種不同中間極內(nèi)徑的SPT出現(xiàn)不同現(xiàn)象的原因如下。在相同的氣流量和弧電流下，由于SPT 2中間極1的內(nèi)徑大于SPT 1的內(nèi)徑，使工作氣體對冷氣膜的壓縮作用低于SPT 1中的壓縮作用。因此，在SPT 2中冷氣膜的厚度較大，使其擊穿電壓大于電弧與中間極之間的電勢差，起到抑制雙弧現(xiàn)象產(chǎn)生的作用。因此，可以得出：在相同的弧電流和氣流量下，中間極的內(nèi)徑越小，越容易產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象。

圖4 分段式陽極等離子體發(fā)生器2的弧壓特性曲線

2.2 射流長度

射流長度的變化也直觀地反映了雙弧現(xiàn)象的產(chǎn)生。當(dāng)弧電流為140 A時(shí)，SPT 1的射流長度隨氣流量的變化如圖5所示。當(dāng)氣流量從18 L/min降低到10 L/min時(shí)，SPT 1的射流長度以低于20 mm/（L·min-1）的速率減小。然而，當(dāng)氣流量從10 L/min降低至8 L/min的過程中，射流長度從350 mm驟縮至150 mm，縮短速率高達(dá)100 mm/（L·min-1），是10-18 L/min范圍內(nèi)速率的4倍。射流長度的急劇變短可能是由雙弧現(xiàn)象造成的。當(dāng)SPT 1產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象時(shí)，弧壓出現(xiàn)圖3所示急劇下降的情況。因此，弧壓驟降導(dǎo)致輸入功率極低，傳遞給射流的能量較少，流速減小，射流長度急劇縮短。射流長度的這種變化進(jìn)一步證實(shí)了雙弧現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖5 分段式陽極等離子體射流長度隨氣流量的變化圖

2.3 雙弧現(xiàn)象發(fā)生時(shí)中間極的燒蝕

圖6(a)和(b)分別為圖2所示的SPT 1中雙弧現(xiàn)象發(fā)生前，新中間極 1的前端面(靠近陽極)和后端面(靠近陰極)照片。在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)弧電流為140 A，氣流量為8 L/min時(shí)，工作弧壓和射流長度出現(xiàn)急劇下降，立即關(guān)閉電源系統(tǒng)，拆開SPT 1觀察中間極1的端面燒蝕情況。圖6(c)和(d)分別為雙弧現(xiàn)象發(fā)生后，中間極1的前端面和后端面照片。可以看出，中間極1的前端面出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)g痕跡，而后端面有輕微的燒蝕。SPT 中出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因如下。當(dāng)分段式陽極等離子體發(fā)生器1產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象時(shí)，在中間極1上出現(xiàn)一個(gè)新的陽極弧根和一個(gè)新的陰極弧根。新的陽極弧根在旋向氣體的作用下在其內(nèi)表面不斷地旋轉(zhuǎn)，因此，中間極1的后端面燒蝕是輕微的。然而，新的陰極弧根位置幾乎是靜止的，高溫環(huán)境致使其前端面燒蝕較嚴(yán)重。中間極的燒蝕更加證實(shí)了雙弧現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖6 中間極1的端面圖

3 結(jié)語

本文通過實(shí)驗(yàn)研究氣流量、弧電流、中間極的內(nèi)徑對分段式陽極等離子體發(fā)生器產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象的影響，得出了以下結(jié)論：

（1）在分段式陽極等離子體發(fā)生器運(yùn)行過程中，通過觀察弧壓的驟降、射流長度的急劇縮短、中間極的燒蝕，綜合分析出分段式陽極等離子體發(fā)生器是否產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象。

（2）根據(jù)上述三個(gè)方面的分析得出：分段式陽極等離子體發(fā)生器在特定的工作參數(shù)（較低的氣流量、較高的弧電流、較小的中間極內(nèi)徑）下，更容易產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象。

在下一步的工作中，應(yīng)對分段式陽極等離子體發(fā)生器中雙弧現(xiàn)象的產(chǎn)生條件予以進(jìn)一步的研究，從而對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作參數(shù)的選擇提供一定的理論依據(jù)。