單脈沖放電過程中熔池及材料蝕除的高速攝像觀測研究

楊曉冬，田 靜

（ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001 ）

由于電火花加工的放電過程具有復(fù)雜性和隨機(jī)性，且放電蝕除發(fā)生在極短時(shí)間內(nèi)和極微小空間內(nèi)，一直以來無論是用實(shí)驗(yàn)觀測手段還是用理論分析和數(shù)值解析方法，對電火花加工放電過程進(jìn)行研究都極其困難，電火花加工放電蝕除的極間微觀信息仍很缺乏， 放電蝕除機(jī)理仍未能被明確地解釋，制約其進(jìn)一步發(fā)展。

近年來，高速攝像技術(shù)的快速發(fā)展為揭示電火花加工的極間微觀現(xiàn)象提供了有效的觀測手段，研究者針對等離子體放電通道[1-3]和極間氣泡[4-6]等進(jìn)行了觀測研究。 但由于等離子體通道發(fā)射出亮度極高的可見光，電極與工件之間的極間現(xiàn)象被等離子通道的亮光遮擋，故很難觀測到放電點(diǎn)處的極間現(xiàn)象。 本文采用一種新的觀測方法，將等離子體通道的亮光過濾，再用不可見激光作為外部光源，并利用高速攝像機(jī)對單脈沖放電過程中的熔池及材料蝕除過程進(jìn)行了觀測和分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和觀測方法

由于放電過程中等離子體放電通道會(huì)發(fā)射出波長為380～780 nm 的可見光， 本實(shí)驗(yàn)裝置在高速攝像機(jī)鏡頭前安裝了帶寬范圍為（810±10） nm 的帶通濾光鏡。這樣，只有波長范圍在（810±10） nm 之間的光可通過該濾光鏡，而等離子體放電通道所發(fā)射的光則被過濾掉。 拍攝時(shí)， 實(shí)驗(yàn)用可發(fā)射波長為（810±10） nm 的不可見脈沖激光作為外部光源來照射放電點(diǎn)處。

單脈沖放電觀測裝置見圖1， 其中脈沖電源可輸出單脈沖電壓信號，當(dāng)工具電極和工件之間發(fā)生放電時(shí)，電流傳感器檢測到放電電流后將示波器觸發(fā)，同時(shí)示波器觸發(fā)高速攝像機(jī)，攝像機(jī)拍攝的圖像被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。 實(shí)驗(yàn)條件和觀測條件分別見表1 和表2。

表1 單脈沖放電實(shí)驗(yàn)條件

表2 拍攝條件

為了能從不同角度觀測放電過程中熔池內(nèi)的情況，本文用厚度0.09 mm 的塞尺作為工件，分別在不同位置放電。 圖2a 是在塞尺窄邊上放電，由于塞尺很薄， 當(dāng)熔池較大時(shí)會(huì)貫穿整個(gè)塞尺厚度方向， 故從正面拍攝時(shí)相當(dāng)于觀察熔池的剖切面；圖2b 是將塞尺平放后在其邊緣放電，由于塞尺邊緣有圓弧倒角， 熔池相當(dāng)于形成在一個(gè)近似斜面上，故從正面拍攝時(shí)近似觀察熔池的俯視圖。

2 單脈沖放電過程中熔池的觀測結(jié)果

2.1 熔池中熔融金屬的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖3、圖4 是在脈沖寬度為1 ms、煤油滴在極間放電點(diǎn)處的條件下，分別從不同視角的單脈沖放電過程中觀測熔池中熔融金屬的運(yùn)動(dòng)狀況。 由于過濾了等離子體放電通道的光，故可清晰地觀測到熔池和放電屑等極間現(xiàn)象。其中，圖3 對應(yīng)圖2a，該觀測方向近似于熔池的主視方向，可見熔池內(nèi)的熔融金屬一直在某種壓力作用下處于不斷往復(fù)翻滾的狀態(tài)，且熔池內(nèi)的熔融金屬在某種驅(qū)動(dòng)力的作用下從中心被擠向圓周并外翻形成圓周凸起，該外翻的凸起由于熔融金屬的不斷運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)非對稱和非規(guī)則的狀態(tài)。 圖4 則對應(yīng)圖2b，該觀測方向近似于熔池的俯視方向，可見熔池內(nèi)熔融金屬液體形成漩渦且在熔池邊緣形成翻邊，之后漩渦逐漸消失，被擠向圓周的金屬液體向中心回流。 單脈沖放電過程的完整觀測結(jié)果顯示，放電過程中熔池內(nèi)多次形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的漩渦，且在漩渦消失時(shí)熔池內(nèi)的金屬液體處于劇烈翻騰運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

結(jié)合圖3 所示熔池主視方向的觀測結(jié)果，可知熔池內(nèi)的熔融金屬不是單純地左右晃動(dòng)，而是繞某個(gè)中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)本研究另外發(fā)表的有關(guān)等離子體通道運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀測結(jié)果[7]可知，極間介質(zhì)擊穿后， 等離子體通道在幾微秒之內(nèi)完成膨脹，之后以接近穩(wěn)定的直徑在極間做類圓周運(yùn)動(dòng)，由此可推斷熔池內(nèi)熔融金屬的漩渦是由等離子體通道的類圓周運(yùn)動(dòng)引起的。 此外，隨著放電的進(jìn)行，熔池的直徑不斷變大至某一最大值后保持不變。 圖5 是熔池直徑隨放電時(shí)間的變化趨勢圖。

2.2 熔池中熔融金屬的凝固過程

如圖6（主視方向）、圖7（俯視方向）所示，放電結(jié)束后熔融金屬開始凝固。 主視方向的熔池近似半橢球形，熔池底部外緣首先開始凝固，逐漸向上向中心收縮，從開始凝固到完全凝固約1200 μs；俯視方向的熔池呈圓形，其邊緣首先開始凝固，逐漸向中心收縮，從開始凝固到完全凝固約800 μs。 可發(fā)現(xiàn)，熔池中的絕大部分熔融金屬?zèng)]有被蝕除，而是形成熔融再凝固層。

3 單脈沖放電蝕除過程的觀測結(jié)果

本研究分別在煤油和空氣介質(zhì)中進(jìn)行了單脈沖放電觀測，其中煤油是滴在極間放電點(diǎn)處，煤油中的放電間隙為20 μm， 且由于空氣中不易放電，放電間隙小于10 μm。 觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是在煤油介質(zhì)還是空氣介質(zhì)中，極間介質(zhì)被擊穿后即發(fā)生材料蝕除， 且放電蝕除持續(xù)在整個(gè)放電過程中，這與仿真結(jié)果一致[8-9]；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，放電開始后的短暫時(shí)間（數(shù)十微秒）之內(nèi)，極間出現(xiàn)了類似爆炸的現(xiàn)象，放電點(diǎn)處極間被飛濺的物質(zhì)遮擋，導(dǎo)致圖像模糊，而后飛濺物質(zhì)消散，圖像又恢復(fù)清晰。 在此，將拍攝視野較模糊的階段稱作放電初始階段，拍攝視野清晰的階段稱作放電持續(xù)階段。

3.1 放電初始階段的蝕除過程

圖8 是極間介質(zhì)為煤油、工件為量塊（鋼）、其他條件如表1 所示時(shí)的放電初始階段圖像。 可發(fā)現(xiàn)，放電開始后，極間煤油向四周飛濺且有大量溶池內(nèi)的金屬熔滴一起飛濺出來（第3～5 幀圖像），隨后可明顯看到工件上有熔池形成并逐漸擴(kuò)大（第6～8 幀圖像）；還可發(fā)現(xiàn)，針尖電極的尖端被損耗掉，這說明之前飛濺出的金屬熔滴來自工件和工具電極；之后，飛濺物質(zhì)消散，圖像逐漸變得清晰（第9～11幀圖像）。

結(jié)合等離子體通道膨脹過程觀測結(jié)果可知，極間介質(zhì)擊穿后，等離子體通道在幾微秒之內(nèi)迅速完成膨脹，之后保持穩(wěn)定的直徑不變[7]。 在第1 幀即約7 μs 時(shí)，等離子體通道已完成膨脹，其膨脹過程導(dǎo)致有很高的熱流密度作用在極間和兩極表面，使極間和放電點(diǎn)表面溫度驟增，進(jìn)而導(dǎo)致等離子體放電通道周圍的極間液態(tài)煤油介質(zhì)瞬間氣化，同時(shí)也會(huì)使工件和工具電極放電點(diǎn)表面的金屬驟然氣化，瞬間發(fā)生的熱膨脹導(dǎo)致放電處表面熔融態(tài)金屬被拋出極間。 之后，由于等離子體通道完成膨脹，沒有再出現(xiàn)初始階段那樣劇烈的蝕除現(xiàn)象。

為了明確極間介質(zhì)的驟然氣化對放電蝕除的影響， 本研究還在空氣介質(zhì)情況下進(jìn)行了觀測研究。 圖9 是極間介質(zhì)為空氣時(shí)放電初始階段的圖像，同樣經(jīng)歷了由模糊到清晰的變化過程。 可發(fā)現(xiàn)，有霧狀熔融小液滴和較大的金屬液滴從極間飛濺而出。 對比圖8 所示煤油中放電初始階段的蝕除過程，可發(fā)現(xiàn)在空氣中熔融金屬的飛濺現(xiàn)象不如液中劇烈，說明在放電初始階段液態(tài)極間介質(zhì)的驟然氣化膨脹可促進(jìn)放電點(diǎn)的材料蝕除。

為了明確放電點(diǎn)處電極材料的驟然氣化對放電蝕除的影響，本研究還在煤油介質(zhì)中以鋅作為工件進(jìn)行了觀測研究。 圖10 是鋅作為工件時(shí)放電初始階段的圖像。 對比圖8 可明顯看出工件材料為鋅時(shí)，極間飛濺現(xiàn)象非常劇烈，拋入極間的熔融金屬也更多。 這是因?yàn)殇\的沸點(diǎn)約為鋼的三分之一，更易發(fā)生氣化，說明在放電初始階段放電點(diǎn)表面的金屬驟然氣化對放電蝕除具有重要的影響。

3.2 放電持續(xù)階段的蝕除過程

3.2.1 熔融液滴拋出現(xiàn)象

放電初始階段，在發(fā)生劇烈飛濺蝕除的同時(shí)形成熔池，在之后的放電持續(xù)過程中，熔池內(nèi)熔融金屬在等離子體通道的作用下不斷地做翻滾運(yùn)動(dòng)，該過程中材料蝕除不如放電初始階段劇烈，僅有小熔滴被拋出到極間。 圖11 是工件材料為鋼時(shí)熔池內(nèi)熔融液滴拋出現(xiàn)象。 連續(xù)觀察第72～80 幀圖像可發(fā)現(xiàn)，熔池內(nèi)液態(tài)金屬形成逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的漩渦，同時(shí)有液滴沿著渦旋的方向被拋入極間，說明等離子體通道運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的熔池內(nèi)熔融金屬的漩渦運(yùn)動(dòng)是促使熔融金屬蝕除的驅(qū)動(dòng)力之一。

圖12 是在相同放電條件下，工件材料為鋅時(shí)熔池內(nèi)熔融液滴的拋出現(xiàn)象。 從第45～50 幀圖像可發(fā)現(xiàn)，熔池運(yùn)動(dòng)更明顯，導(dǎo)致有較大的液滴從鋅熔池邊緣飛出，這是因?yàn)殇\的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較低而導(dǎo)致熔池運(yùn)動(dòng)更加劇烈。

3.2.2 熔融金屬爆破現(xiàn)象

連續(xù)觀察圖13 所示的工件材料為鋼時(shí)的第32～34 幀、第49～51 幀圖像可發(fā)現(xiàn)，熔池表面出現(xiàn)鼓包，其在短暫時(shí)間內(nèi)爆破并帶動(dòng)熔融物質(zhì)飛出形成放電屑。 可認(rèn)為鼓包是熔池內(nèi)熔融物質(zhì)過熱產(chǎn)生的內(nèi)部壓力梯度所致，當(dāng)鼓包內(nèi)部壓力超過外部壓力時(shí)產(chǎn)生爆破形成放電屑，導(dǎo)致熔融金屬被蝕除[10]。進(jìn)一步觀察圖14 所示的工件材料為鋅時(shí)的第74～76幀圖像可見，鋅熔池左側(cè)形成較大的鼓包，之后在熔池邊緣爆破 （第91～93 幀圖像）， 這是由于鋅的熔、沸點(diǎn)較低，熔池內(nèi)部更大的壓力梯度所致。

4 結(jié)論

本文利用一種新的觀測方法，實(shí)現(xiàn)了對單脈沖放電過程中的熔池及材料蝕除過程的觀測，得到以下結(jié)論：

（1）在等離子體通道類圓周運(yùn)動(dòng)的作用下，熔池內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的漩渦，熔池內(nèi)的熔融金屬從中心被擠向圓周且在熔池邊緣形成圓周翻邊凸起，該外翻的凸起由于熔融金屬的不斷運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)非對稱和非規(guī)則的狀態(tài)。

（2）熔池中的絕大部分熔融金屬?zèng)]有被蝕除，而是重新凝固，形成熔融再凝固層。

（3）在極間介質(zhì)被擊穿之后即發(fā)生材料蝕除，且放電蝕除持續(xù)在整個(gè)放電過程中。

（4）在放電初始階段，快速膨脹的等離子體通道導(dǎo)致兩極放電點(diǎn)表面金屬驟然氣化，瞬間發(fā)生的熱膨脹又導(dǎo)致放電點(diǎn)表面熔融態(tài)金屬被拋出極間而 出現(xiàn)劇烈的材料蝕除。 此外，該階段液態(tài)極間介質(zhì)的驟然氣化膨脹可促進(jìn)放電點(diǎn)的材料蝕除。

（5）放電持續(xù)階段的材料蝕除不如放電初始階段劇烈，并出現(xiàn)熔融液滴拋出現(xiàn)象和熔融金屬爆破現(xiàn)象。 熔融金屬的漩渦運(yùn)動(dòng)和熔池內(nèi)熔融物質(zhì)過熱產(chǎn)生的內(nèi)部壓力梯度是該階段材料蝕除的兩種驅(qū)動(dòng)力。