单脉冲放电过程中熔池及材料蚀除的高速摄像观测研究

2020-03-25杨晓冬

电加工与模具 2020年1期

杨晓冬，田静

（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001 ）

由于电火花加工的放电过程具有复杂性和随机性，且放电蚀除发生在极短时间内和极微小空间内，一直以来无论是用实验观测手段还是用理论分析和数值解析方法，对电火花加工放电过程进行研究都极其困难，电火花加工放电蚀除的极间微观信息仍很缺乏，放电蚀除机理仍未能被明确地解释，制约其进一步发展。

近年来，高速摄像技术的快速发展为揭示电火花加工的极间微观现象提供了有效的观测手段，研究者针对等离子体放电通道[1-3]和极间气泡[4-6]等进行了观测研究。但由于等离子体通道发射出亮度极高的可见光，电极与工件之间的极间现象被等离子通道的亮光遮挡，故很难观测到放电点处的极间现象。本文采用一种新的观测方法，将等离子体通道的亮光过滤，再用不可见激光作为外部光源，并利用高速摄像机对单脉冲放电过程中的熔池及材料蚀除过程进行了观测和分析。

1 实验装置和观测方法

由于放电过程中等离子体放电通道会发射出波长为380～780 nm 的可见光，本实验装置在高速摄像机镜头前安装了带宽范围为（810±10） nm 的带通滤光镜。这样，只有波长范围在（810±10） nm 之间的光可通过该滤光镜，而等离子体放电通道所发射的光则被过滤掉。拍摄时，实验用可发射波长为（810±10） nm 的不可见脉冲激光作为外部光源来照射放电点处。

单脉冲放电观测装置见图1，其中脉冲电源可输出单脉冲电压信号，当工具电极和工件之间发生放电时，电流传感器检测到放电电流后将示波器触发，同时示波器触发高速摄像机，摄像机拍摄的图像被传输到计算机。实验条件和观测条件分别见表1 和表2。

表1 单脉冲放电实验条件

表2 拍摄条件

为了能从不同角度观测放电过程中熔池内的情况，本文用厚度0.09 mm 的塞尺作为工件，分别在不同位置放电。图2a 是在塞尺窄边上放电，由于塞尺很薄，当熔池较大时会贯穿整个塞尺厚度方向，故从正面拍摄时相当于观察熔池的剖切面；图2b 是将塞尺平放后在其边缘放电，由于塞尺边缘有圆弧倒角，熔池相当于形成在一个近似斜面上，故从正面拍摄时近似观察熔池的俯视图。

2 单脉冲放电过程中熔池的观测结果

2.1 熔池中熔融金属的运动状态

图3、图4 是在脉冲宽度为1 ms、煤油滴在极间放电点处的条件下，分别从不同视角的单脉冲放电过程中观测熔池中熔融金属的运动状况。由于过滤了等离子体放电通道的光，故可清晰地观测到熔池和放电屑等极间现象。其中，图3 对应图2a，该观测方向近似于熔池的主视方向，可见熔池内的熔融金属一直在某种压力作用下处于不断往复翻滚的状态，且熔池内的熔融金属在某种驱动力的作用下从中心被挤向圆周并外翻形成圆周凸起，该外翻的凸起由于熔融金属的不断运动呈现非对称和非规则的状态。图4 则对应图2b，该观测方向近似于熔池的俯视方向，可见熔池内熔融金属液体形成漩涡且在熔池边缘形成翻边，之后漩涡逐渐消失，被挤向圆周的金属液体向中心回流。单脉冲放电过程的完整观测结果显示，放电过程中熔池内多次形成旋转运动的漩涡，且在漩涡消失时熔池内的金属液体处于剧烈翻腾运动状态。

结合图3 所示熔池主视方向的观测结果，可知熔池内的熔融金属不是单纯地左右晃动，而是绕某个中心旋转运动。根据本研究另外发表的有关等离子体通道运动规律的观测结果[7]可知，极间介质击穿后，等离子体通道在几微秒之内完成膨胀，之后以接近稳定的直径在极间做类圆周运动，由此可推断熔池内熔融金属的漩涡是由等离子体通道的类圆周运动引起的。此外，随着放电的进行，熔池的直径不断变大至某一最大值后保持不变。图5 是熔池直径随放电时间的变化趋势图。

2.2 熔池中熔融金属的凝固过程

如图6（主视方向）、图7（俯视方向）所示，放电结束后熔融金属开始凝固。主视方向的熔池近似半椭球形，熔池底部外缘首先开始凝固，逐渐向上向中心收缩，从开始凝固到完全凝固约1200 μs；俯视方向的熔池呈圆形，其边缘首先开始凝固，逐渐向中心收缩，从开始凝固到完全凝固约800 μs。可发现，熔池中的绝大部分熔融金属没有被蚀除，而是形成熔融再凝固层。

3 单脉冲放电蚀除过程的观测结果

本研究分别在煤油和空气介质中进行了单脉冲放电观测，其中煤油是滴在极间放电点处，煤油中的放电间隙为20 μm，且由于空气中不易放电，放电间隙小于10 μm。观测结果发现，无论是在煤油介质还是空气介质中，极间介质被击穿后即发生材料蚀除，且放电蚀除持续在整个放电过程中，这与仿真结果一致[8-9]；同时还发现，放电开始后的短暂时间（数十微秒）之内，极间出现了类似爆炸的现象，放电点处极间被飞溅的物质遮挡，导致图像模糊，而后飞溅物质消散，图像又恢复清晰。在此，将拍摄视野较模糊的阶段称作放电初始阶段，拍摄视野清晰的阶段称作放电持续阶段。

3.1 放电初始阶段的蚀除过程

图8 是极间介质为煤油、工件为量块（钢）、其他条件如表1 所示时的放电初始阶段图像。可发现，放电开始后，极间煤油向四周飞溅且有大量溶池内的金属熔滴一起飞溅出来（第3～5 帧图像），随后可明显看到工件上有熔池形成并逐渐扩大（第6～8 帧图像）；还可发现，针尖电极的尖端被损耗掉，这说明之前飞溅出的金属熔滴来自工件和工具电极；之后，飞溅物质消散，图像逐渐变得清晰（第9～11帧图像）。

结合等离子体通道膨胀过程观测结果可知，极间介质击穿后，等离子体通道在几微秒之内迅速完成膨胀，之后保持稳定的直径不变[7]。在第1 帧即约7 μs 时，等离子体通道已完成膨胀，其膨胀过程导致有很高的热流密度作用在极间和两极表面，使极间和放电点表面温度骤增，进而导致等离子体放电通道周围的极间液态煤油介质瞬间气化，同时也会使工件和工具电极放电点表面的金属骤然气化，瞬间发生的热膨胀导致放电处表面熔融态金属被抛出极间。之后，由于等离子体通道完成膨胀，没有再出现初始阶段那样剧烈的蚀除现象。

为了明确极间介质的骤然气化对放电蚀除的影响，本研究还在空气介质情况下进行了观测研究。图9 是极间介质为空气时放电初始阶段的图像，同样经历了由模糊到清晰的变化过程。可发现，有雾状熔融小液滴和较大的金属液滴从极间飞溅而出。对比图8 所示煤油中放电初始阶段的蚀除过程，可发现在空气中熔融金属的飞溅现象不如液中剧烈，说明在放电初始阶段液态极间介质的骤然气化膨胀可促进放电点的材料蚀除。

为了明确放电点处电极材料的骤然气化对放电蚀除的影响，本研究还在煤油介质中以锌作为工件进行了观测研究。图10 是锌作为工件时放电初始阶段的图像。对比图8 可明显看出工件材料为锌时，极间飞溅现象非常剧烈，抛入极间的熔融金属也更多。这是因为锌的沸点约为钢的三分之一，更易发生气化，说明在放电初始阶段放电点表面的金属骤然气化对放电蚀除具有重要的影响。

3.2 放电持续阶段的蚀除过程

3.2.1 熔融液滴抛出现象

放电初始阶段，在发生剧烈飞溅蚀除的同时形成熔池，在之后的放电持续过程中，熔池内熔融金属在等离子体通道的作用下不断地做翻滚运动，该过程中材料蚀除不如放电初始阶段剧烈，仅有小熔滴被抛出到极间。图11 是工件材料为钢时熔池内熔融液滴抛出现象。连续观察第72～80 帧图像可发现，熔池内液态金属形成逆时针运动的漩涡，同时有液滴沿着涡旋的方向被抛入极间，说明等离子体通道运动导致的熔池内熔融金属的漩涡运动是促使熔融金属蚀除的驱动力之一。

图12 是在相同放电条件下，工件材料为锌时熔池内熔融液滴的抛出现象。从第45～50 帧图像可发现，熔池运动更明显，导致有较大的液滴从锌熔池边缘飞出，这是因为锌的熔点、沸点较低而导致熔池运动更加剧烈。

3.2.2 熔融金属爆破现象

连续观察图13 所示的工件材料为钢时的第32～34 帧、第49～51 帧图像可发现，熔池表面出现鼓包，其在短暂时间内爆破并带动熔融物质飞出形成放电屑。可认为鼓包是熔池内熔融物质过热产生的内部压力梯度所致，当鼓包内部压力超过外部压力时产生爆破形成放电屑，导致熔融金属被蚀除[10]。进一步观察图14 所示的工件材料为锌时的第74～76帧图像可见，锌熔池左侧形成较大的鼓包，之后在熔池边缘爆破（第91～93 帧图像），这是由于锌的熔、沸点较低，熔池内部更大的压力梯度所致。