基于电弧放电的电极加热方法处理焊渣

马文彬， 向祖权， 茅云生

(武汉理工大学， 湖北 武汉 430063)

基于电弧放电的电极加热方法处理焊渣

马文彬， 向祖权， 茅云生

(武汉理工大学， 湖北 武汉 430063)

基于气体弧光放电原理的电极加热技术，已经在焊接、切割、熔炼金属工艺[1，2]上得到了很好的应用，文中以创新性弧光放电技术来完成船厂中的焊渣清理工作。目前，基本上大部分船厂都是利用人力手工操作打磨机打磨掉焊接中飞溅的焊渣，这与当今世界倡导的绿色造船理念背道而驰，故船厂焊渣清理工作的机械化、效率化、流水线化已十分迫切，本文从原理的角度阐述利用弧光放电解决该问题的可行性。

弧光放电 电极加热 焊渣 绿色船舶

1 引言

1.1 电容放电原理

给定电容在空气电离后，才能产生电流，电容外加电压U逐渐升高，电流I也发生变化，起初电流随着电压的升高而升高，这是由于电容间隙中带电离子向电极运动的速度加快导致复合率减小的缘故[3]。当电压超过Us时，单位时间内空气分子电离率与复合率维持稳定，故尽管加大电压，电流值不会发生变化，这之前还属于传统意义上的绝缘状体，虽然耗电，但因为电流太小，作用不大，不能够为人类利用。但当电压增加至Ub时，又会出现电流的增长，因为电压升高，电场增强，引起了间隙中电离程度加强。当电压升高到某一临界值Uo时，电流急剧突增，气体间隙被击穿，并伴有发光、发声等现象，即此时气体间隙转入良好的导电状态[4]。

1.2 原理解析

弧光放电是一种自持放电，其主要的特点是维持电压很低(几十伏特)，这是与其他类型放电明显的不同之处。虽然在有些条件下它的电压可以达到几百伏特，但通常只有几十伏特。要给定弧光放电一个严格的定义是困难的，然而从放电的特性来看，弧光放电是一种阴极位降低、电流密度大的放电，而且一般具有负的伏安特性。

最初的弧光放电是在空气中两个碳棒之间产生的放电，且仅仅只是研究电弧的伏安特性。电极分为阴阳两极，并且在阴阳极板表面会存在一定的压降，压降区域在10-4m级别，基本可以忽略不计。弧光放电时，阴阳极板之间的弧光柱内充满电中性的等离子体,在最热的部分里气体的电离度可以从1%～50%变化，在轴向电场基本是均匀的，电场强度与气体的性质、气压以及电流有关。弧光放电又可以分为高低气压弧光放电两类，分界线为103～104Pa,因此，标准大气压下可认为是高压弧光放电[5，6]。

1.3 船厂焊渣处理现状

现今国内外船厂对于焊渣、焊疤、焊瘤主要是打磨处理。而船舶构件本身复杂、多面、多曲度的特点，使该项打磨处理工艺难度加大，没有形成流水线、机械化的模式。这极大地浪费了船厂的劳动资源，而且消耗工时、延长船舶建造周期，这与当今业界倡导的“绿色造船”理念背道而驰。因此，本文分析利用电力学上的弧光放电原理，通过电能转换为热能，迫使钢板表面的温度升高，而当温度高于焊渣等处理物的熔点，并且低于钢板的熔点时，即可以达到想要的目的，其中这个选定的合适温度称为目标温度。

2 电弧放电应用

2.1 工艺分析

应用电弧放电熔化焊渣金属和利用电弧热切割是相同的原理，在钢板处于被保护状态下时，由电弧放电产生的热量熔化金属。电弧放电的装置已经在工业中得到了大量的应用，需要分析的是电弧放电时电流、电压、电弧与工件间距d之间的关系。利用药芯割丝在割丝与工件之间引燃电弧，借助电弧熔化金属而达到除去焊渣的目的，药芯产生的气体一方面可以保护钢板表面，另一方面也可以将熔化的金属吹落，形成光滑的钢板表面。影响因素包括电压V、电流I(功率W)、间距d、加热时间t或加热装置的运行速度v。图1为电弧柱模型图。

2.2 计算电压电流的稳态温度场[7～9]

电源为交流电U=30V,I=80A(有效值)，其峰值为100A;极板间距50mm。

中间的介质即为空气；而弧光放电加热金属的过程假定为稳态。

假设电极板为圆形φ=60mm=0.06mm；材料为1.6%Si的铸铝合金，厚度为5mm。

假设单脉冲电弧为圆柱形放电通道，考虑到对称性，可以将三维温度场分布简化为二维温度场。

点热源温度场分布：

圆盘均匀热源的温度场计算公式：

d∂dr

其中：d是弧光柱直径；A是比例系数；a是介质导电系数；I是脉冲峰值电流；V是放电维持电压；T是热源作用时间；R是热源作用半径。

代入数据：d=0.023;A=0.43;a=1×10-5;I=100;V=30;T=10;R=0.03。

则弧光柱的温度最大值大约为20 000℃，随着中心线间距的增加，温度变小的梯度变缓。放大结构图，如图2所示，可得温度800℃时，距离极板的间距约为25mm。

2.3 用傅里叶方法验证

在一般的三维问题中，瞬态温度场满足方程：

与瞬态温度场相似，稳态温度场的热传导方程为(稳态与瞬态的最大的区别：温度不再是时间t的函数)

而又考虑到轴对称空间热传导问题，则温度不随θ变化，瞬态热传导方程可以简化为

稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态分析以前，进行稳态热分析用于确定初始的温度分布。

热分析单元为(三维实体)SOLID87 六节点四面体单元。

对于稳态计算，因为载荷不随时间发生变化，时间选项并没有实际的物理意义，但它提供了一个设置载荷步和载荷子部的方法。设定所允许的最多迭代次数25。求解后的温度场云图如图3所示。

从最大值、曲线斜率、目标温度的坐标值来分析圆柱弧中心线上温度分布，如图4所示。

有图像易读出，该点的z轴坐标为18mm，即离极板的间距为32mm。结果如表1所示。

差异原因：

(1) 点热源扩展到平面热源方法中，本身存在假设，假设点热源之间相互不影响，但实际中是存在相互影响的。

(2) ANSYS中模拟温度场时的边界条件侧面与地面的温度值设定为280 K，其实温度值应该随着距离平面电极的增大而逐渐减小，与实际情况有差异。

(3) 没有考虑由于空气电离而导致的温度场系数，如比热容、对流系数、导热系数的变化，即ANSYS温度场模拟时，电弧柱内部的各种系数假设相同，与实际情况不符合。

(4) 软件计算的内部迭代方法也有所差异，最合适的方法是计算方法结合实际实验结果进行综合分析，由于电弧放电是一种复杂的放电现象，它涉及到气压、温度、电压、电流、电流幅值、电压幅值、电流脉冲周期、电弧寿命及电弧作用时间等因素，计算中很多因素都进行了简化。

2.4 影响电极温度场分布因素分析(MATLAB图像表示)

(1) 电压影响：选定电流峰值为100 A，加热时间10 s，电极半径为0.03 m，因弧光放电的特性即为低电压、高电流，选定的电压分别为10 V、30 V、50 V、70 V、90 V、110 V，如图5所示。

(2) 电流影响：电压即为计算电压值30 V，电极加热时间为10 s，电极半径为0.03 m，选定电流峰值分别为60 A、80 A、100 A、120 A、140 A、160 A，如图6所示。

(3) 电极半径：电压取值30 V，电流峰值取值100 A，加热时间为10 s,电极半径分别取值0.01 m、0.02 m、0.03 m、0.04 m、0.05 m、0.06 m，如图7所示。

(4) 加热时间影响：电压取值30 V，电流取值100 A，电极半径取值0.03 m，电极加热时间分别取值10 s、20 s、30 s、40 s、50 s、60 s，如图8所示。

电极温度分布随电压、电流、电极半径、加热时间影响汇总如表2所示。

3 结论

电弧加热在工业上的应用十分广泛，而在电焊后焊渣、焊疤、焊瘤处理上应用尚属首次，它对于推动船厂流水线作业规模化、提高造船效率、节省人力物力有着很大的作用。电弧放电是电磁学上一种很经典和常见的放电方式，被发现研究后，迅速运用到工业生产上。但是由于其放电剧烈、温度较高、温度梯度大，且与诸多环境因素有关，故应用中必须佐以试验结果验证。将该项技术应用于去除焊渣这一新领域，能进一步促使船厂提高效率。

[1] 刘晓静，李光，段红平.夏原等离子体电解氧化弧光放电的瞬态测定及温度场模拟[J].中国有色金属学报，2011.

[2] 邢怀民.大电流弧光放电机理讨论[J].新乡学院学报(自然科学版)，2009.

[3] 孙钦.电极加热型室内负离子空气净化器电源的优化设计[D].大连：大连理工大学，2007.

[4] 徐学基，诸定昌版.气体物理放电[M].上海：复旦大学出版社，1995.

[5] 曾悠病，李艳宁.导热系数测定仪若干关键技术研究[D].天津：天津大学，2010.

[6] 李英，李艳宁.低温双平板保护法热导系数测定仪的开发[D].天津：天津大学，2011.

[7] 邵小桃，成超，张静文.平板电容器边缘电场特性研究[J].北京交通大学电气电子教学学报，2011.

[8] 箮贤进，曾怡达，张斌.高压平板电容器的数学模型[J].石油化工高等学校学报，2002.

[9] 姜晓峰，梁天学，王志国，孙凤举，丛培天.环形电极单间隙放电伏安特性[C].强激光与粒子束，2012.

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

马文彬(1989-)，男，硕士研究生。

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