單脈沖放電過程中等離子體通道的觀測研究

田 靜，楊曉冬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001）

電火花加工是目前應(yīng)用廣泛且具有發(fā)展前景的特種加工方法之一，是在加工過程中使工具和工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性火花放電，依靠放電時局部產(chǎn)生的高溫將材料蝕除[1]?；鸹ǚ烹娺^程的第一階段是極間介質(zhì)擊穿，形成等離子體放電通道，等離子體通道在工具電極和工件表面形成瞬時高溫?zé)嵩矗瑢⒎烹婞c(diǎn)處的材料通過熔化、氣化蝕除。因此，等離子體通道的形成和變化過程等直接影響材料的蝕除及放電凹坑的形貌等加工特性。研究等離子體通道，對于更好地分析火花放電微觀過程和電火花加工機(jī)理具有重要意義。

新的實(shí)驗(yàn)觀測工具和測量技術(shù)的蓬勃發(fā)展，給等離子體通道的研究提供了有利的基礎(chǔ)。由于火花放電過程是在極短的放電時間內(nèi)發(fā)生在極小的放電間隙里，以往的研究人員只能通過分析放電結(jié)果及大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出各種等離子體通道半徑的經(jīng)驗(yàn)公式[2-4]。近年來隨著新技術(shù)的成熟應(yīng)用，等離子體通道的研究有了更直觀的體現(xiàn)。Kojima等[5]對放電通道半徑的形成過程進(jìn)行了高速攝像采集，并對等離子體通道進(jìn)行了光譜儀分析。Kitamura等[6]及Macedo[7]等采用了類似的觀測手段對等離子體通道進(jìn)行了研究。以上研究結(jié)果均表明，等離子體通道在介質(zhì)擊穿后幾微秒內(nèi)完成膨脹，之后通道直徑保持恒定。

在目前研究中，對于火花放電中等離子體通道的研究大多數(shù)僅集中于通道直徑的大小。為了進(jìn)一步地了解、認(rèn)知等離子體通道，本文在專門設(shè)計(jì)的單脈沖放電觀測實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了一系列單脈沖放電實(shí)驗(yàn)，并用高速攝像機(jī)采集記錄，對等離子體通道的形成和變化過程等進(jìn)行了觀測研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)條件

單脈沖放電過程中的等離子體通道觀測實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。實(shí)驗(yàn)采用單脈沖電源，通過示波器對放電電流進(jìn)行捕捉，示波器被觸發(fā)的同時觸發(fā)高速攝像機(jī)，高速攝像機(jī)開始存儲拍攝到的放電過程并將圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。實(shí)驗(yàn)所用高速攝像機(jī)為Phantom系列黑白攝像機(jī)，通過千兆網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)連接。放電開始之前，工具電極和工件電極之間的極間間隙通過接觸感知確定零間隙位置，通過微動平臺調(diào)整放電間隙。

圖1 單脈沖放電觀測實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

根據(jù)觀察、研究的側(cè)重點(diǎn)不同，實(shí)驗(yàn)條件和拍攝條件均不同。實(shí)驗(yàn)條件見表1，拍攝條件見表2。表1中所列出的三種工具電極放電端部形狀示意圖見圖2。

表1 等離子體通道觀測實(shí)驗(yàn)條件

表2 等離子體通道觀測拍攝條件

圖2 工具電極放電端部形狀示意圖

2 等離子體通道直徑觀測結(jié)果分析

下文以高速攝像機(jī)捕捉到的第一張出現(xiàn)白光的圖像為第1幀圖像。該圖像中的白光除等離子體通道所發(fā)出的光外，還有高溫熔融金屬反射的光，通過觀察整個單脈沖放電過程可以發(fā)現(xiàn)，等離子體通道所發(fā)出的光更集中更亮，而高溫金屬反射的光區(qū)域范圍大且模糊不清；同時還發(fā)現(xiàn)，等離子體通道在極間處于不斷運(yùn)動狀態(tài)。因此，在估測等離子體通道直徑時，本文選取等離子體通道運(yùn)動到電極中間位置焦面上的圖像進(jìn)行分析。

2.1 等離子體通道膨脹與消失過程直徑變化

本部分實(shí)驗(yàn)條件和拍攝條件同表1、表2，其中放電間隙為 40 μm、圖像為分辨率 128×32 pixel、相機(jī)拍攝幀數(shù)為58萬幀、曝光時間為1.316 μs。為了更清楚地展現(xiàn)出等離子體通道膨脹的全過程，實(shí)驗(yàn)選用了小分辨率下的最高幀率及最大曝光時間。

圖3是采用直徑1 mm的倒圓平頭紫銅工具電極進(jìn)行的單脈沖放電過程。可見，白色曲線為工具電極輪廓線，虛線為工件輪廓線，箭頭所標(biāo)出的區(qū)域?qū)挾葹榈入x子體通道直徑。T=0 μs時為放電開始前，此時工具電極最底端到工件平面的距離即放電間隙為 40 μm。 T=0～1.316 μs時，高速攝像機(jī)捕捉到第1幀圖像，該圖像中出現(xiàn)明亮的白光即等離子體通道，這表示極間介質(zhì)在該時間段內(nèi)的某時刻被擊穿形成放電通道，而后放電通道開始膨脹擴(kuò)大；根據(jù)極間間隙大小估計(jì)約T=1 μs時等離子體通道直徑約為 60 μm。 T=1.71～3.026 μs時，高速攝像機(jī)捕捉到第2幀圖像，與第1幀相比可明顯看出等離子體通道發(fā)生了急速地膨脹；估測T=3 μs時等離子體通道直徑約為200 μm，再對比后面的第34幀、第201幀圖像可判斷出，此時的等離子體通道基本上完成了膨脹過程（圖4）。

另外還可見，在第3幀圖像中，極間介質(zhì)被高溫等離子體汽化為蒸汽形成的氣泡快速擴(kuò)張崩潰，阻礙了相機(jī)的拍攝視線，因此白光模糊一片。從第4～33幀圖像均因上述原因無法清楚地觀察到等離子體通道的情況。在第34幀圖像和隨機(jī)選取的第201幀圖像中，煤油已經(jīng)完全飛濺開，相當(dāng)于此時的放電過程在氣中穩(wěn)定進(jìn)行，圖像中高亮白光即為等離子體通道所發(fā)出，由圖像可估計(jì)等離子體通道的穩(wěn)定直徑約為200 μm。第393幀是捕捉到的等離子體通道開始收縮的圖像，即通道收縮發(fā)生在T=670.32～672.03 μs時間段內(nèi)的某時刻。第394幀圖像與上一幀對比，可以明顯看出等離子體通道急劇消失，幾乎看不到明亮的白光。在第395幀圖像中，極間已完全沒有亮光，這表示此時等離子體通道完全消失，而圖像中模糊不清的暗光為高溫金屬所反射的光。

圖3 等離子體通道膨脹與消失過程觀測

圖4 等離子體通道膨脹過程示意圖

根據(jù)以上觀測結(jié)果可得出：在放電電流15 A、放電間隙40 μm條件下，極間介質(zhì)擊穿后的等離子體通道在約3 μs的時間里完成膨脹，之后保持穩(wěn)定，穩(wěn)定的通道直徑約200 μm；而在放電結(jié)束時，等離子體通道又在約4 μs的時間里迅速收縮直至消失。通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，均可得到上述結(jié)論；通過觀察不同電極形狀下的放電過程，也可發(fā)現(xiàn)等離子體通道完成膨脹和消失的時間均為幾微秒。下文所提等離子體通道直徑大小，是指膨脹完成后的穩(wěn)定通道的直徑大小。

2.2 電極放電端部形狀對通道直徑大小的影響

為了研究電極放電端部形狀對等離子體通道直徑大小的影響，在表1、表2所示條件下，分別采用直徑1 mm的平頭、倒圓平頭、尖頭紫銅工具電極（圖2）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，采用平頭、倒圓平頭電極時的放電間隙為40 μm，采用尖頭電極時的放電間隙為20 μm。由于尖頭電極易出現(xiàn)電極損耗，放電之后的極間間隙會迅速增大，為了對比相同放電間隙下的放電通道，實(shí)驗(yàn)在尖頭電極情況下采用了較小的初始放電間隙；由于尖頭電極迅速出現(xiàn)電極損耗，選取電極損耗后、間隙約40 μm時的圖像與另兩種電極時的圖像對比。相機(jī)拍攝時，取圖像分辨率為256×128 pixel、拍攝幀數(shù)為14萬幀、曝光時間為 1 μs。

從圖5所示不同電極放電端部形狀下的等離子體通道圖像可見，在其他條件相同的情況下，電極放電端部形狀對等離子體通道直徑的影響不大。根據(jù)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在放電電流為15 A、放電間隙40 μm條件下，三種形狀電極放電過程中等離子體通道的穩(wěn)定直徑均約為200 μm。

圖5 不同電極放電端部形狀下的等離子體通道

3 等離子體通道運(yùn)動狀況觀測結(jié)果分析

3.1 等離子體通道的極間運(yùn)動規(guī)律

在實(shí)驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)等離子體通道在極間處于不斷運(yùn)動狀態(tài)，本文以倒圓平頭電極下的放電過程為例分析其運(yùn)動規(guī)律。圖6是直徑1 mm的倒圓平頭紫銅工具電極的單脈沖放電過程。實(shí)驗(yàn)、拍攝條件分別如表1、表2所示，其中放電間隙40 μm、圖像分辨率256×128 pixel、相機(jī)拍攝幀數(shù)14萬幀、曝光時間1 μs。以明亮白光區(qū)域從電極中心一側(cè)至另一側(cè)再運(yùn)動回該側(cè)做為一次運(yùn)動，完成一次運(yùn)動的時間為運(yùn)動周期，一次運(yùn)動中通道中心偏離電極中心的最大距離為運(yùn)動幅度。為了清楚地展現(xiàn)等離子體通道在極間運(yùn)動的規(guī)律，取不同放電時間段內(nèi)的四組圖片，每組圖片均由連續(xù)的三幀圖像組成（圖6a～圖6d）?？梢?，等離子體通道的運(yùn)動幅度隨著放電的進(jìn)行逐漸增大至最大值，運(yùn)動周期并不固定。根據(jù)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果估測：約40 μs時，運(yùn)動幅度約為 60 μm；約 120 μs時，運(yùn)動幅度約為 200 μm；約180 μs時，運(yùn)動幅度約為400 μm，近似于倒圓平頭電極放電端部平面部分的寬度。觀察不同的電極放電端部形狀下的放電過程可知，等離子體通道的極間運(yùn)動規(guī)律相同，即運(yùn)動周期不固定，運(yùn)動幅度逐漸增大至所能達(dá)到的最大值。

圖6 等離子體通道的極間運(yùn)動過程

另外，由圖6c、圖6d的連續(xù)幀圖像可見，等離子體在極間做類圓周運(yùn)動而非單純的左右往復(fù)運(yùn)動；圖6a、圖6b的圖像中由于運(yùn)動幅度不大，前后運(yùn)動不明顯，只能看出等離子體在極間往復(fù)運(yùn)動。上述每組圖片中都有較模糊、通道形狀不規(guī)則的圖像，一方面是因?yàn)榈入x子體通道運(yùn)動至偏離焦面處，拍攝出的圖像不清晰；另一方面是因?yàn)槟承r刻，通道運(yùn)動至電極邊緣，而邊緣處的極間間隙與中心處不同，造成通道本身形狀有所變化。

3.2 電極放電端部形狀的影響

雖然不同的電極放電端部形狀下等離子體通道的極間運(yùn)動規(guī)律相同，但等離子體通道的最大運(yùn)動幅度、運(yùn)動路徑不同。本部分實(shí)驗(yàn)采用直徑1 mm的平頭、倒圓平頭、尖頭紫銅工具電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件和拍攝條件與前述情況相同。

從前文可知，等離子體通道的運(yùn)動幅度隨著放電的進(jìn)行逐漸增大，且放電過程前期圖像所示的運(yùn)動幅度小、運(yùn)動路徑不明顯，因此取放電過程中后期的等離子體通道運(yùn)動幅度已達(dá)到最大時的連續(xù)幀圖像來清楚地展示運(yùn)動情況。

從圖7～圖9中可見，在其他條件相同時，不同電極放電端部形狀下等離子體通道的運(yùn)動情況有所不同，且等離子體通道的最大運(yùn)動幅度取決于電極放電端部形狀，平頭電極和倒圓平頭電極下的最大運(yùn)動幅度都近似于電極放電端部平面部分的寬度。平頭電極下，由于電極底端較寬，運(yùn)動幅度大于倒圓平頭和尖頭電極，其圓周運(yùn)動的趨勢并不明顯，更近于往復(fù)運(yùn)動（圖7）；尖頭電極的運(yùn)動幅度明顯較小，由圖8能清晰看出等離子體通道繞電極做圓周運(yùn)動的過程，但其中第一張圖像顯示出通道運(yùn)動到了兩極的正中間，這說明通道運(yùn)動并不是規(guī)律的圓周運(yùn)動；倒圓平頭電極的運(yùn)動幅度介于平頭電極和尖頭電極之間，由圖9可見，通道時而繞電極外圍運(yùn)動，時而又壓入極間晃動，這更加說明等離子體通道運(yùn)動是類圓周運(yùn)動，且當(dāng)通道壓入極間時可明顯看出熔池隨之晃動變化，這說明等離子體通道的運(yùn)動對于熔池運(yùn)動過程及最終放電凹坑形貌等有很大影響。

圖7 平頭電極情況下的等離子體通道

圖8 尖頭電極情況下的等離子體通道

圖9 倒圓平頭電極情況下的等離子體通道

4 結(jié)論

本文利用高速攝像機(jī)對單脈沖放電過程中等離子體通道的形成和變化過程等進(jìn)行了觀測研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）極間介質(zhì)擊穿后，等離子體通道在幾微秒內(nèi)完成膨脹，之后通道以穩(wěn)定直徑在極間不斷做類圓周運(yùn)動，運(yùn)動周期不固定，運(yùn)動幅度逐漸增大，放電結(jié)束時幾微秒內(nèi)等離子體通道又迅速消失。

（2）電極放電端部形狀對于等離子體通道直徑影響不大，但對于通道運(yùn)動狀況影響顯著。