不同電極運(yùn)動(dòng)形式下電火花堆焊的放電機(jī)理分析

陳俊潮，韓紅彪,b，王中豪，王順

（河南科技大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院 b.河南省機(jī)械設(shè)計(jì)及傳動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003）

電火花堆焊技術(shù)是利用兩極間脈沖放電過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，將電極材料過渡到基體表面形成強(qiáng)化層的表面加工技術(shù)，可在基體材料表面沉積和堆焊一層特種材料，增加基體的耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性等，從而提高零件的使用壽命[1]。它還是一種再制造技術(shù)，可對(duì)機(jī)械零部件表面的局部磨損、劃傷、腐蝕等缺陷進(jìn)行修復(fù)[2]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電火花堆焊涂層性能方面的研究較多，對(duì)電火花堆焊機(jī)理的研究相對(duì)較少[1]。PADGURSKAS 等[3]在C45 鋼表面沉積了包含青銅、鉬和鉻的復(fù)合涂層，研究了該涂層的摩擦學(xué)性能。HONG 等[4]研究了鈦合金表面電火花沉積 TiN/Zr基非晶納米晶復(fù)合涂層的顯微結(jié)構(gòu)和耐磨性。SALMALIYAN 等[5]研究了電火花堆焊工藝參數(shù)對(duì)H13 鋼沉積WC-Co 涂層性能的影響。張二亮等[6]在氮?dú)?、氬氣和空氣氣氛下電火花堆焊TC4 鈦合金涂層，研究了三種涂層的組織性能和摩擦學(xué)性能。欒程群等[7]研究了H13 鋼表面電火花沉積Nb 涂層的組織與性能，發(fā)現(xiàn)該涂層能提高H13 鋼表面的顯微硬度、耐磨性和耐蝕性。電火花堆焊的新技術(shù)也取得了進(jìn)展。MOHANTY 等[8]利用二硫化鎢粉末懸浮液進(jìn)行電火花沉積，來改變鈦合金表面的性能。Yue 等[9]利用磁化電極吸附細(xì)小粉末進(jìn)行電火花沉積，改變了放電機(jī)理，提高了沉積過程的穩(wěn)定性和沉積效率。WANG等[10]采用計(jì)算機(jī)數(shù)控沉積技術(shù)在TC11 基體上制備CuNiTiZr 中熵合金涂層，分析了涂層微觀結(jié)構(gòu)和硬度等。MURALIDHARAN 等[11]對(duì)單次沉積放電過程建立了熱力學(xué)模型，可仿真和預(yù)測(cè)沉積過程中的材料轉(zhuǎn)移機(jī)制。MURRAY 等[12]研究了電火花沉積TiC-Fe復(fù)合涂層的成形機(jī)理。

與電火花去除加工技術(shù)不同，電火花堆焊技術(shù)常采用旋轉(zhuǎn)電極和超聲振動(dòng)電極與基體不斷接觸，進(jìn)行放電和堆焊[13]。但由于電極與基體的接觸狀態(tài)處于不斷變化之中，其放電機(jī)理和質(zhì)量轉(zhuǎn)移機(jī)理比較復(fù)雜。掌握電火花堆焊技術(shù)的放電機(jī)理和質(zhì)量轉(zhuǎn)移機(jī)理，則有利于實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的自動(dòng)化、質(zhì)量控制和推廣應(yīng)用[14-16]。本文采用旋轉(zhuǎn)電極和超聲振動(dòng)電極進(jìn)行電火花堆焊試驗(yàn)，分析電極與基體的接觸狀態(tài)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)連續(xù)放電的電壓和電流波形，研究電火花堆焊的放電機(jī)理。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備采用9188H3 型電火花堆焊電源，可分別進(jìn)行超聲振動(dòng)電極與旋轉(zhuǎn)電極的堆焊試驗(yàn)。該電源輸出的脈沖電壓Up=20～45 V，脈沖時(shí)間tp=40～2000 μs，脈沖頻率fp=30～450 Hz，旋轉(zhuǎn)電極轉(zhuǎn)速n=0～1400 r/min，超聲振動(dòng)振幅a=0～12 μm，超聲振動(dòng)頻率fz=20 kHz。圖1 為連續(xù)放電試驗(yàn)的原理圖，數(shù)字示波器通道1 測(cè)量電流采樣電阻Rs上的電壓U1，進(jìn)而獲得放電電流I；通道2 測(cè)量電極和基體之間的放電電壓U（電壓U2減去通道1 測(cè)量的電壓U1）。電極材料選用直徑3 mm 的45 鋼棒，基體材料選用15 mm×15 mm×3 mm的45 鋼板，保護(hù)氣體使用氬氣。試驗(yàn)前，依次用400、800、1000 號(hào)砂紙對(duì)電極端部與基體進(jìn)行打磨，并使用丙酮擦拭電極端部與基體表面。

試驗(yàn)內(nèi)容包括旋轉(zhuǎn)電極連續(xù)放電試驗(yàn)、超聲振動(dòng)電極連續(xù)放電試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)電極與超聲振動(dòng)電極沉積效率試驗(yàn)。

旋轉(zhuǎn)電極連續(xù)放電試驗(yàn)的原理如圖1a 所示。手工操作旋轉(zhuǎn)電極與基體呈45°夾角，輕微接觸進(jìn)行連續(xù)放電試驗(yàn)，電極水平移動(dòng)速度v=2.5 mm/s，在電源中選擇電極旋轉(zhuǎn)速度n=220 r/min，脈沖電壓Up=32 V，脈沖寬度tp=216 μs，脈沖頻率fp=122 Hz，氬氣流量Q=10 L/min。試驗(yàn)后，對(duì)數(shù)字示波器記錄的放電電壓和電流波形進(jìn)行處理和分析。

圖1 連續(xù)放電試驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic of continuous discharge test: a) rotating electrode; b) ultrasonic vibrating electrode

超聲振動(dòng)電極連續(xù)放電試驗(yàn)的原理如圖1b 所示。手工操作超聲電極與基體呈60°夾角，輕微接觸進(jìn)行連續(xù)放電試驗(yàn)，電極水平移動(dòng)速度v=2.5 mm/s，在電源中選擇超聲振動(dòng)振幅a=7.2 μm，脈沖電壓Up=32 V，脈沖寬度tp=216 μs，脈沖頻率fp=122 Hz，氬氣流量Q=10 L/min。試驗(yàn)后，對(duì)數(shù)字示波器記錄的放電電壓和電流波形進(jìn)行處理和分析。

采用圖1a、1b 所示的試驗(yàn)原理和規(guī)范參數(shù)，分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)電極和超聲振動(dòng)電極的沉積效率對(duì)比試驗(yàn)。每次連續(xù)沉積的時(shí)間為5 min，每次試驗(yàn)前后分別記錄電極和基體的質(zhì)量，并計(jì)算出沉積效率（如式(1)所示）。旋轉(zhuǎn)電極和超聲振動(dòng)電極的沉積效率試驗(yàn)各進(jìn)行5 次，求出沉積效率的平均值，并進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)后基體和電極的表面形貌進(jìn)行對(duì)比分析。

式中，K為轉(zhuǎn)移系數(shù)，Δmk為基體試樣增加的質(zhì)量，Δma為電極試樣減少的質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 旋轉(zhuǎn)電極的連續(xù)放電波形

旋轉(zhuǎn)電極連續(xù)放電的電壓和電流波形如圖2 所示。從圖2 中可以看出，放電脈沖的電壓和電流有高有低，試驗(yàn)時(shí)觀察到較大的火花和飛濺。本次試驗(yàn)共采集到84 個(gè)放電脈沖波形，對(duì)每個(gè)放電脈沖的電壓和電流波形在時(shí)間軸上進(jìn)行放大分析，每個(gè)放電波形的具體參數(shù)各不相同。通過分析其波形特征，發(fā)現(xiàn)了三種典型的放電類型，其電壓和電流波形圖如圖3 所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)電極連續(xù)放電的電壓和電流波形Fig.2 Voltage and current waveforms of continuous discharge of rotating electrode

圖3a—c 所示的放電類型分別是圖2 中箭頭1—3所指的放電脈沖的電壓和電流波形圖。圖3a 在整個(gè)脈沖寬度中都是短路放電，其放電波形的特點(diǎn)是大電流和小電壓。圖3b 在整個(gè)脈沖寬度中都是間隙放電，其放電波形的特點(diǎn)是小電流和大電壓。圖3c 在整個(gè)脈沖寬度中先出現(xiàn)短路放電，再轉(zhuǎn)化為間隙放電，是一種混合放電類型，在圖2 中看其放電波形的特點(diǎn)是大電流和大電壓[13]。

圖3 旋轉(zhuǎn)電極三種典型放電類型的電壓和電流波形圖Fig.3 Voltage and current waveforms of three typical discharge types of rotating electrode: a) short circuit discharge; b) gap discharge; c) short circuit+gap discharge

對(duì)采集的84 個(gè)放電波形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，混合放電類型有53 個(gè)，短路放電類型有24 個(gè)，間隙放電類型有7 個(gè)。這說明旋轉(zhuǎn)電極的電火花堆焊類型主要是電極和基體相接觸而引起的短路放電和混合放電。

2.2 超聲振動(dòng)電極的連續(xù)放電波形

超聲振動(dòng)電極連續(xù)放電的電壓和電流波形如圖4所示。從圖4 中可以看出，放電脈沖的電壓和電流的變化沒有規(guī)律，試驗(yàn)時(shí)觀察到的火花和飛濺相對(duì)較小。本次試驗(yàn)共采集到84 個(gè)放電脈沖波形，對(duì)每個(gè)放電脈沖的電壓和電流波形在時(shí)間軸上進(jìn)行放大分析，觀察到每個(gè)放電波形的具體參數(shù)各不相同。通過分析其波形特征，發(fā)現(xiàn)了八種典型的放電類型，其電壓和電流波形如圖5 所示。

圖4 超聲振動(dòng)電極連續(xù)放電的電壓和電流波形Fig.4 Voltage and current waveforms of continuous discharge of ultrasonic vibrating electrode

圖5 超聲振動(dòng)電極八種典型放電類型的電壓和電流波形圖Fig.5 Voltage and current waveforms of eight typical discharge types of ultrasonic vibrating electrode: a) short circuit discharge;b) gap discharge; c) short circuit + gap discharge; d) gap + short circuit discharge; e) gap + short circuit + gap discharge; f) short circuit + gap + short circuit discharge; g) short circuit + gap + short circuit + gap discharge; h) no-load + gap + short circuit + gap +short circuit discharge

圖5a—h 所示的放電類型分別是圖4 中箭頭1—8 所指放電脈沖的電壓和電流波形圖。圖5a 在整個(gè)脈沖寬度中都是短路放電，圖5b 在整個(gè)脈沖寬度中都是間隙放電，圖5c—h 都是混合放電類型。其中圖5c、d 在整個(gè)脈沖寬度中出現(xiàn)兩個(gè)放電脈沖，分別是短路+間隙放電和間隙+短路放電；圖5e、f 在整個(gè)脈沖寬度中出現(xiàn)三個(gè)放電脈沖，分別是間隙+短路+間隙放電和短路+間隙+短路放電，圖5g、h 在整個(gè)脈沖寬度中出現(xiàn)四個(gè)放電脈沖，分別是短路+間隙+短路+間隙放電和空載+間隙+短路+間隙+短路放電。圖5h 中第一脈沖的電壓等于脈沖輸出電壓32 V，電流為零，說明電極和基體在這個(gè)階段沒有接觸，沒有產(chǎn)生放電現(xiàn)象，為空載階段。

對(duì)采集的84 個(gè)放電波形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得到混合放電類型有69 個(gè)，短路放電類型有10 個(gè)，間隙放電類型有5 個(gè)。這說明超聲振動(dòng)電極電火花堆焊的主要放電類型也是電極和基體相接觸而引起的短路放電和混合放電，且混合放電的類型較多，在一個(gè)脈沖寬度中可出現(xiàn)2—4 個(gè)放電脈沖。

2.3 沉積效率試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行旋轉(zhuǎn)電極和超聲振動(dòng)電極的沉積效率試驗(yàn)，經(jīng)過計(jì)算獲得旋轉(zhuǎn)電極的轉(zhuǎn)移系數(shù)K=79%，超聲振動(dòng)電極的轉(zhuǎn)移系數(shù)K=92%。這說明在相同的電參數(shù)情況下，超聲振動(dòng)電極的沉積效率高于旋轉(zhuǎn)電極的沉積效率。

圖6 是旋轉(zhuǎn)電極沉積效率試驗(yàn)后的沉積/堆焊層和電極的形貌圖，圖7 是超聲振動(dòng)電極沉積效率試驗(yàn)后的沉積/堆焊層和電極的形貌圖。從表面形貌可以看出，沉積/堆焊層和電極表面很不平整，都是呈現(xiàn)高低不平的微凸峰。

圖6 旋轉(zhuǎn)電極沉積效率試驗(yàn)后的沉積層和電極的形貌圖Fig.6 Sediment layer and electrode morphology after deposition efficiency test with rotating electrode: a) sediment layer morphology of substrate; b) morphology of rotating electrode

圖7 超聲振動(dòng)電極沉積效率試驗(yàn)后的沉積層和電極的形貌圖Fig.7 Sediment layer and electrode morphology after deposition efficiency test with ultrasonic vibrating electrode: a) sediment layer morphology of substrate; b) morphology of ultrasonic vibration electrode

3 分析與討論

3.1 放電機(jī)理對(duì)比分析

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：電火花堆焊最基本的放電形式是短路放電和間隙放電。在電源的一個(gè)脈沖寬度中，不同的放電類型都是由這兩種放電形式組成，混合放電是由短路放電和間隙放電脈沖組成的2—4 個(gè)放電脈沖。與旋轉(zhuǎn)電極相比，超聲振動(dòng)電極的混合放電類型明顯較多。

將所有放電脈沖中的短路放電階段和間隙放電階段的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得短路放電和間隙放電階段的平均電阻、平均電流和平均功率，如表1 所示。旋轉(zhuǎn)電極在短路放電和間隙放電階段的平均電阻，要明顯小于超聲振動(dòng)電極的平均電阻，所以旋轉(zhuǎn)電極的放電電流和平均功率都較大。旋轉(zhuǎn)電極和超聲振動(dòng)電極的間隙放電平均功率都明顯大于短路放電平均功率。

表1 短路放電和間隙放電的參數(shù)Tab.1 Parameter table of short circuit discharge and gap discharge

3.2 旋轉(zhuǎn)電極與基體的接觸狀態(tài)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)

旋轉(zhuǎn)電極與基體的接觸狀態(tài)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)如圖8所示，在接觸力F的作用下，電極圓錐面與基體平面的接觸形式為線接觸，相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式為切向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于電極表面和基體表面都是高低不平的微凸峰，所以其接觸狀態(tài)為單點(diǎn)或兩點(diǎn)接觸。假設(shè)在圖8a 中A-A 截面處電極和基體的微凸峰相互接觸，接觸點(diǎn)處電極相對(duì)基體的運(yùn)動(dòng)是水平干摩擦運(yùn)動(dòng)，則會(huì)造成接觸微凸峰之間的剪切運(yùn)動(dòng)，相互擠壓產(chǎn)生塑形變形，去除掉表面的氧化膜，增大接觸面積，減小接觸短路電阻，所以旋轉(zhuǎn)電極的短路放電電流較大，平均功率也較大，造成飛濺較大。此外，平均功率較大也會(huì)帶來較大的熱輸入，也能增加沉積效率，但影響相對(duì)較小，兩種因素綜合作用下造成沉積效率較低。但這種干摩擦運(yùn)動(dòng)有利于將沉積層上的高點(diǎn)磨平，使沉積層較為平整和致密。

圖8 旋轉(zhuǎn)電極與基體的接觸狀態(tài)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)Fig.8 Contact state and relative movement between rotating electrode and substrate: a) relative movement between rotating electrode and substrate; b) contact state and relative movement on section A-A

假設(shè)圓錐截面A-A 的圓半徑R1=1 mm，旋轉(zhuǎn)電極的轉(zhuǎn)速n=220 r/min，一個(gè)放電脈沖寬度tp=216 μs對(duì)應(yīng)的電極轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ=0.285°，對(duì)應(yīng)電極接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的弧長(zhǎng)L=4.97 μm，形成電極與基體的間隙e=0.012 μm，即在一個(gè)脈沖寬度中，由于電極轉(zhuǎn)動(dòng)引起的間隙變化很小。假設(shè)電極轉(zhuǎn)速n達(dá)到最高轉(zhuǎn)速1400 r/min，且電極半徑增大到2 mm 時(shí)，計(jì)算可得L=63.3 um、e=1 μm。所以，在接觸力F的作用下，旋轉(zhuǎn)電極與基體的接觸狀態(tài)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成電極與基體之間的間隙變化很小，其混合放電類型只有一種，即短路放電+間隙放電。一部分是由于短路電流較大，將接觸點(diǎn)熔爆，在電極和基體之間形成間隙，從而轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙放電；另一部分是由于電極接觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)離開，與基體之間形成間隙，從而轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙放電。這兩種形成的間隙都比較小，所以旋轉(zhuǎn)電極的間隙放電平均電阻較小，放電電流較大，平均功率較高。

3.3 超聲振動(dòng)電極與基體的接觸狀態(tài)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)

超聲振動(dòng)電極與基體的接觸狀態(tài)和電極振幅如圖9 所示。在接觸力F的作用下，電極端部平面與基體平面的接觸形式為面接觸。由于電極表面和基體表面都是高低不平的微凸峰，所以其接觸狀態(tài)為單點(diǎn)、兩點(diǎn)或三點(diǎn)的多點(diǎn)接觸。對(duì)比旋轉(zhuǎn)電極，超聲振動(dòng)電極相對(duì)于基體上下振動(dòng)，接觸微凸峰之間沒有剪切運(yùn)動(dòng)，而垂直的接觸力F較小，所以它們產(chǎn)生的塑形變形很小，總的接觸面積也不大，無(wú)法有效去除表面的氧化膜，接觸短路電阻較大，因此造成超聲振動(dòng)電極的短路放電電流小于旋轉(zhuǎn)電極的短路放電電流。此外，短路放電的平均功率也較小，造成飛濺較小，沉積效率較高。

如圖9b 所示，超聲振動(dòng)電極的振幅a=7.2 μm 時(shí)，對(duì)應(yīng)電極與基體之間垂直距離的變化范圍為0～6.2 μm，這造成電極與基體之間的間隙較大，間隙放電的電阻也較大。所以，超聲振動(dòng)電極的間隙放電電流小于旋轉(zhuǎn)電極的間隙放電電流，間隙放電的平均功率也較小。由于超聲振動(dòng)頻率較高（fz=20 kHz），在一個(gè)脈沖寬度內(nèi)，電極和基體之間會(huì)出現(xiàn)多次的間隙變化，導(dǎo)致短路放電和間隙放電反復(fù)出現(xiàn)，所以其混合放電的類型較多。

圖9 超聲振動(dòng)電極與基體的接觸狀態(tài)和電極振幅圖Fig.9 Contact state between ultrasonic vibrating electrode and substrate and amplitude diagram of electrode: a) contact state between ultrasonic vibrating electrode and substrate; b) amplitude diagram of ultrasonic vibrating electrode

4 結(jié)論

1）電極的運(yùn)動(dòng)形式直接影響了電極與基體接觸點(diǎn)之間接觸狀態(tài)（即接觸間隙、接觸面積和接觸電阻等）的變化，從而影響其放電類型、放電電流和沉積效率等。

2）旋轉(zhuǎn)電極和基體之間為切向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，接觸點(diǎn)處的間隙變化小，只有一種短路放電+間隙放電的混合放電類型。

3）超聲振動(dòng)電極與基體之間為上下超聲振動(dòng)，接觸點(diǎn)處的間隙變化范圍大且變化速度快，產(chǎn)生較多的混合放電類型。

4）在相同放電參數(shù)條件下，旋轉(zhuǎn)電極的短路放電電流和間隙放電電流要大于超聲振動(dòng)電極的短路放電電流和間隙放電電流，產(chǎn)生的火花和飛濺較大，其沉積效率小于超聲振動(dòng)電極的沉積效率。