基于電弧放電的電極加熱方法處理焊渣

馬文彬， 向祖權， 茅云生

(武漢理工大學， 湖北 武漢 430063)

基于電弧放電的電極加熱方法處理焊渣

馬文彬， 向祖權， 茅云生

(武漢理工大學， 湖北 武漢 430063)

基于氣體弧光放電原理的電極加熱技術，已經在焊接、切割、熔煉金屬工藝[1，2]上得到了很好的應用，文中以創(chuàng)新性弧光放電技術來完成船廠中的焊渣清理工作。目前，基本上大部分船廠都是利用人力手工操作打磨機打磨掉焊接中飛濺的焊渣，這與當今世界倡導的綠色造船理念背道而馳，故船廠焊渣清理工作的機械化、效率化、流水線化已十分迫切，本文從原理的角度闡述利用弧光放電解決該問題的可行性。

弧光放電 電極加熱 焊渣 綠色船舶

1 引言

1.1 電容放電原理

給定電容在空氣電離后，才能產生電流，電容外加電壓U逐漸升高，電流I也發(fā)生變化，起初電流隨著電壓的升高而升高，這是由于電容間隙中帶電離子向電極運動的速度加快導致復合率減小的緣故[3]。當電壓超過Us時，單位時間內空氣分子電離率與復合率維持穩(wěn)定，故盡管加大電壓，電流值不會發(fā)生變化，這之前還屬于傳統(tǒng)意義上的絕緣狀體，雖然耗電，但因為電流太小，作用不大，不能夠為人類利用。但當電壓增加至Ub時，又會出現(xiàn)電流的增長，因為電壓升高，電場增強，引起了間隙中電離程度加強。當電壓升高到某一臨界值Uo時，電流急劇突增，氣體間隙被擊穿，并伴有發(fā)光、發(fā)聲等現(xiàn)象，即此時氣體間隙轉入良好的導電狀態(tài)[4]。

1.2 原理解析

弧光放電是一種自持放電，其主要的特點是維持電壓很低(幾十伏特)，這是與其他類型放電明顯的不同之處。雖然在有些條件下它的電壓可以達到幾百伏特，但通常只有幾十伏特。要給定弧光放電一個嚴格的定義是困難的，然而從放電的特性來看，弧光放電是一種陰極位降低、電流密度大的放電，而且一般具有負的伏安特性。

最初的弧光放電是在空氣中兩個碳棒之間產生的放電，且僅僅只是研究電弧的伏安特性。電極分為陰陽兩極，并且在陰陽極板表面會存在一定的壓降，壓降區(qū)域在10-4m級別，基本可以忽略不計?；」夥烹姇r，陰陽極板之間的弧光柱內充滿電中性的等離子體,在最熱的部分里氣體的電離度可以從1%～50%變化，在軸向電場基本是均勻的，電場強度與氣體的性質、氣壓以及電流有關?；」夥烹娪挚梢苑譃楦叩蜌鈮夯」夥烹妰深?，分界線為103～104Pa,因此，標準大氣壓下可認為是高壓弧光放電[5，6]。

1.3 船廠焊渣處理現(xiàn)狀

現(xiàn)今國內外船廠對于焊渣、焊疤、焊瘤主要是打磨處理。而船舶構件本身復雜、多面、多曲度的特點，使該項打磨處理工藝難度加大，沒有形成流水線、機械化的模式。這極大地浪費了船廠的勞動資源，而且消耗工時、延長船舶建造周期，這與當今業(yè)界倡導的“綠色造船”理念背道而馳。因此，本文分析利用電力學上的弧光放電原理，通過電能轉換為熱能，迫使鋼板表面的溫度升高，而當溫度高于焊渣等處理物的熔點，并且低于鋼板的熔點時，即可以達到想要的目的，其中這個選定的合適溫度稱為目標溫度。

2 電弧放電應用

2.1 工藝分析

應用電弧放電熔化焊渣金屬和利用電弧熱切割是相同的原理，在鋼板處于被保護狀態(tài)下時，由電弧放電產生的熱量熔化金屬。電弧放電的裝置已經在工業(yè)中得到了大量的應用，需要分析的是電弧放電時電流、電壓、電弧與工件間距d之間的關系。利用藥芯割絲在割絲與工件之間引燃電弧，借助電弧熔化金屬而達到除去焊渣的目的，藥芯產生的氣體一方面可以保護鋼板表面，另一方面也可以將熔化的金屬吹落，形成光滑的鋼板表面。影響因素包括電壓V、電流I(功率W)、間距d、加熱時間t或加熱裝置的運行速度v。圖1為電弧柱模型圖。

2.2 計算電壓電流的穩(wěn)態(tài)溫度場[7～9]

電源為交流電U=30V,I=80A(有效值)，其峰值為100A;極板間距50mm。

中間的介質即為空氣；而弧光放電加熱金屬的過程假定為穩(wěn)態(tài)。

假設電極板為圓形φ=60mm=0.06mm；材料為1.6%Si的鑄鋁合金，厚度為5mm。

假設單脈沖電弧為圓柱形放電通道，考慮到對稱性，可以將三維溫度場分布簡化為二維溫度場。

點熱源溫度場分布：

圓盤均勻熱源的溫度場計算公式：

d?dr

其中：d是弧光柱直徑；A是比例系數(shù)；a是介質導電系數(shù)；I是脈沖峰值電流；V是放電維持電壓；T是熱源作用時間；R是熱源作用半徑。

代入數(shù)據(jù)：d=0.023;A=0.43;a=1×10-5;I=100;V=30;T=10;R=0.03。

則弧光柱的溫度最大值大約為20 000℃，隨著中心線間距的增加，溫度變小的梯度變緩。放大結構圖，如圖2所示，可得溫度800℃時，距離極板的間距約為25mm。

2.3 用傅里葉方法驗證

在一般的三維問題中，瞬態(tài)溫度場滿足方程：

與瞬態(tài)溫度場相似，穩(wěn)態(tài)溫度場的熱傳導方程為(穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)的最大的區(qū)別：溫度不再是時間t的函數(shù))

而又考慮到軸對稱空間熱傳導問題，則溫度不隨θ變化，瞬態(tài)熱傳導方程可以簡化為

穩(wěn)態(tài)傳熱用于分析穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)或部件的影響。通常在進行瞬態(tài)分析以前，進行穩(wěn)態(tài)熱分析用于確定初始的溫度分布。

熱分析單元為(三維實體)SOLID87 六節(jié)點四面體單元。

對于穩(wěn)態(tài)計算，因為載荷不隨時間發(fā)生變化，時間選項并沒有實際的物理意義，但它提供了一個設置載荷步和載荷子部的方法。設定所允許的最多迭代次數(shù)25。求解后的溫度場云圖如圖3所示。

從最大值、曲線斜率、目標溫度的坐標值來分析圓柱弧中心線上溫度分布，如圖4所示。

有圖像易讀出，該點的z軸坐標為18mm，即離極板的間距為32mm。結果如表1所示。

差異原因：

(1) 點熱源擴展到平面熱源方法中，本身存在假設，假設點熱源之間相互不影響，但實際中是存在相互影響的。

(2) ANSYS中模擬溫度場時的邊界條件側面與地面的溫度值設定為280 K，其實溫度值應該隨著距離平面電極的增大而逐漸減小，與實際情況有差異。

(3) 沒有考慮由于空氣電離而導致的溫度場系數(shù)，如比熱容、對流系數(shù)、導熱系數(shù)的變化，即ANSYS溫度場模擬時，電弧柱內部的各種系數(shù)假設相同，與實際情況不符合。

(4) 軟件計算的內部迭代方法也有所差異，最合適的方法是計算方法結合實際實驗結果進行綜合分析，由于電弧放電是一種復雜的放電現(xiàn)象，它涉及到氣壓、溫度、電壓、電流、電流幅值、電壓幅值、電流脈沖周期、電弧壽命及電弧作用時間等因素，計算中很多因素都進行了簡化。

2.4 影響電極溫度場分布因素分析(MATLAB圖像表示)

(1) 電壓影響：選定電流峰值為100 A，加熱時間10 s，電極半徑為0.03 m，因弧光放電的特性即為低電壓、高電流，選定的電壓分別為10 V、30 V、50 V、70 V、90 V、110 V，如圖5所示。

(2) 電流影響：電壓即為計算電壓值30 V，電極加熱時間為10 s，電極半徑為0.03 m，選定電流峰值分別為60 A、80 A、100 A、120 A、140 A、160 A，如圖6所示。

(3) 電極半徑：電壓取值30 V，電流峰值取值100 A，加熱時間為10 s,電極半徑分別取值0.01 m、0.02 m、0.03 m、0.04 m、0.05 m、0.06 m，如圖7所示。

(4) 加熱時間影響：電壓取值30 V，電流取值100 A，電極半徑取值0.03 m，電極加熱時間分別取值10 s、20 s、30 s、40 s、50 s、60 s，如圖8所示。

電極溫度分布隨電壓、電流、電極半徑、加熱時間影響匯總如表2所示。

3 結論

電弧加熱在工業(yè)上的應用十分廣泛，而在電焊后焊渣、焊疤、焊瘤處理上應用尚屬首次，它對于推動船廠流水線作業(yè)規(guī)模化、提高造船效率、節(jié)省人力物力有著很大的作用。電弧放電是電磁學上一種很經典和常見的放電方式，被發(fā)現(xiàn)研究后，迅速運用到工業(yè)生產上。但是由于其放電劇烈、溫度較高、溫度梯度大，且與諸多環(huán)境因素有關，故應用中必須佐以試驗結果驗證。將該項技術應用于去除焊渣這一新領域，能進一步促使船廠提高效率。

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The Electrode Heating Processing Technology of Welding Slag Based on Arc Discharge

MA Wen-bin, XIANG Zu-quan, MAO Yun-sheng

(Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The electrode heating technology has been widely used in welding, cutting and metal melting. This technology is initiatively used to process the welding slag in shipbuilding. So far, most shipyards use hand-manipulated polishing machine to polish welding slag, which go against to principle of green shipbuilding. It becomes very exigent to make the welding slag cleaning more mechanized, efficient and pipelined. The feasibility of arc discharge solution is demonstrated from the principle point of view in this article, which can provide a reference for pipelining in shipyards.

Arc discharge Electrode heating Welding slag Green shipbuilding

馬文彬(1989-)，男，碩士研究生。

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