分段式陽極等離子體發生器中雙弧現象的研究*

呂 程 余德平 劉方圓 熊志強 鐘彥杰 姚 進

（四川大學 制造科學與工程學院 成都 610065）

熱等離子體由于具有高溫、高熱焓、高能量密度等特性被廣泛應用于納米材料制備、深孔噴涂、粉末球化、表面淬火、危廢處理[1-5]等領域。為了滿足不同的應用要求，從結構方面電弧等離子體發生器分為三種不同的類型[6—10]：單陽極發生器、臺階式陽極發生器和分段式陽極等離子體發生器。分段式陽極等離子體發生器的主要特點是通過在陰極和陽極之間插入多個中間電極來增加電弧長度。從而有以下兩個顯著特點：(1)在固定功率下，電弧長度較長使得弧電流相對較低，導致電極的燒蝕程度相對較低。(2)分段式陽極等離子體發生器不僅可以避免大尺度分流現象的產生[11]，而且提高了等離子體射流的穩定性。

當分段式陽極等離子體發生器正常工作時，電弧在陰極和陽極之間燃燒。根據 Steenbeck最小弧壓原理[12-13]，等離子體電弧總是穩定在弧壓為最小值的狀態。當分段式陽極等離子體發生器中間極的內徑減小或中間極的長度增大或工作參數設置不恰當時，原先的電弧會被新生成的兩段串聯電弧所取代，一段電弧連接著陰極和中間極，另一段電弧連接著中間極和陽極，在中間極上產生一個新的陽極弧根和一個新的陰極弧根，即雙弧現象。該現象造成中間極的嚴重燒蝕和等離子體射流的波動。過增元[14]在 1979年提出在非轉移弧型的多級陽極等離子體發生器中，也會發生類似于雙弧的所謂串弧現象。高陽等人[15]對雙陽極等離子體發生器中的雙弧現象進行了初步的研究，并定性地討論了雙弧現象的預防措施。但是，很少有對分段式陽極等離子體發生器中的雙弧現象進行過深入的報道。然而，國內外學者對等離子體切割炬中的雙弧現象研究較多。在等離子體切割炬中，噴嘴位于陰極和陽極之間，陽極是待切割的工件。當工作參數設置不恰當時，弧電流會從陰極流向噴嘴，再流向工件，最終導致在噴嘴處產生雙弧現象。為了研究等離子體切割炬中的雙弧現象，Nemchinsky等人[16]提出了一種雙弧現象的觸發機制和驗證該機制的實驗方法。Prevosto等人[17-18]提出了等離子體切割炬中雙弧現象的物理解釋，并闡述了雙弧現象出現在低氣流量處的原因。Kruczinin等人[19]確定了發生雙弧現象的電流臨界值。上述關于等離子體切割炬中雙弧現象的報道，為深入研究分段式陽極等離子體發生器中雙弧現象提供了一定的理論依據。

曹修全等人[20]分析了層流等離子發生器中的雙弧現象，并初步提出了雙弧現象的抑制措施，但缺乏對產生雙弧現象的實驗論證。本文通過實驗研究了氣流量、弧電流和中間極的內徑對產生雙弧現象的影響，旨在對其設計和實驗參數的選擇提供一些理論依據和指導。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

實驗采用的分段式陽極等離子體發生系統如圖1所示，主要由供氣系統、冷卻系統、電源系統、采集系統和分段式陽極等離子體發生器組成。供氣系統由LF400S氣體質量流量控制儀精確控制氣體流量，將工作氣體通入等離子體發生器。冷卻系統采用風冷柜式冷水機組，將去離子水冷卻至20℃供給等離子發生器和電源。電源系統采用直流等離子體電源，以 90% 的轉換效率將三相交流電轉換為直流電供給等離子體發生器。采集系統包括數據和射流圖像采集系統，數據采集系統采用數據采集卡NI USB-6210獲得瞬時工作弧壓；射流圖像采集系統采用 CCD相機等圖像采集設備，實時采集等離子體射流圖像信息。

圖1 分段式陽極等離子體發生系統示意圖

分段式陽極等離子體發生器的示意圖如圖2所示，主要由陽極、中間極1、中間極2、中間極3、引弧環、絕緣環、陰極頭、陰極座、陰極冷卻管等組成，且各部分之間用絕緣環絕緣并單獨通水冷卻，以延長電極的使用壽命。

圖2 分段式陽極等離子體發生器示意圖

1.2 實驗條件

為了研究氣流量g、弧電流I、中間極的內徑d對分段式陽極等離子體發生器產生雙弧現象的影響，分別采用兩種不同的分段式陽極等離子體發生器（SPT），工作參數如表1所示。為了使分段式陽極等離子體發生器產生雙弧現象，將圖2中任一中間極的軸向長度設置為30 mm，而其他中間極的軸向長度設置為13 mm。以氮氣為工作氣體，通過調試發現，當氣流量低于6 L/min時，等離子體射流波動較大，不利于等離子體發生器的長期運行。因此以每次降低2 L/min的速率，將氣流量由18 L/min降低到6 L/min，并記錄每組參數對應的弧壓值和射流圖像信息。

當分段式陽極等離子體發生器產生雙弧現象時，弧壓的急劇下降伴隨著射流長度的驟短。因此，在實驗過程中，當等離子射流長度或弧壓出現急劇下降時，應立即關閉電源系統以避免中間極的嚴重燒蝕。通過拆開SPT觀察中間極端面的燒蝕情況，如果存在嚴重的燒蝕痕跡，將拍攝中間極的端面圖來記錄雙弧現象的發生。

表1 兩種分段式陽極等離子體發生器的工作參數

2 結果與討論

2.1 弧壓

分段式陽極等離子體發生器1在不同氣流量下弧壓的變化特性曲線如圖3所示。可以看出，當弧電流一定時，弧壓隨著氣流量減小而下降。例如，當弧電流為 100 A，氣流量從 18 L/min下降到 6 L/min時，弧壓從181 V降低到166 V，并且弧壓隨氣流量下降的平均下降速率為1.25 V/(L·min-1)。原因是當弧電流一定時，減小氣流量使工作氣體對電弧的壓縮作用減弱，導致電弧電阻的橫截面積減小，使得電弧電阻減小，從而弧壓降低。當氣流量一定時，工作弧壓隨著弧電流的增大而增大，原因是弧電流的增大使得電弧溫度升高，導致電弧電阻減小，由于電弧電阻的減小率高于弧電流的增加率，因此弧壓隨著弧電流的增大而減小。

圖3 分段式陽極等離子體發生器1的弧壓特性曲線

弧壓的變化可以直觀地反映雙弧現象的產生。當弧電流為140 A，氣流量從18 L/min 下降到10 L/min時，弧壓從178 V降低到165 V，弧壓隨氣流量下降的平均下降速率為1.63 V/（L·min-1）。然而，當氣流量從10 L/min下降至8 L/min時，弧壓從165 V急劇地下降到159 V，弧壓隨氣流量下降的平均下降速率為 3 V/（L·min-1），幾乎是氣流量在 18 L/min～10 L/min范圍內弧壓下降速率的1.8倍。弧壓出現這種急劇變化的原因如下。當分段式陽極等離子體發生器正常工作時，在電弧和中間極之間形成一層冷氣膜，然而當弧電流為140 A，氣流量從10 L/min下降至8 L/min即當I=140 A ，g=8 L/min時，工作氣體對電弧的壓縮逐漸減弱，使弧柱直徑增加，導致冷氣膜厚度的減小。此時，冷氣膜的厚度可能很薄，而其擊穿電壓與冷氣膜的厚度成正比，因此冷氣膜的擊穿電壓減小且低于電弧與中間極之間的電勢差，最終導致雙弧現象的產生。電弧在陰陽極之間燃燒時，電弧與每段中間極之間存在不同的電勢差，尤其在中間極的出口位置它們之間的電勢差達到最大值，因此在中間極的出口處最可能產生雙弧現象。正是由于雙弧現象的產生，弧柱長度急劇減小，使得電弧電阻減小，導致弧壓驟降。可以得出，當氣流量較低或弧電流較大時，分段式陽極等離子體發生器越容易產生雙弧現象。

分段式陽極等離子體發生器2在不同氣流量下弧壓的變化特性曲線如圖4所示。當弧電流一定時，弧壓隨著氣流量的減小而降低。特別的是，當弧電流為140 A，氣流量從18 L/min減小至6 L/min時，弧壓以恒定速率從160 V降低至144 V。在這個過程中，沒有出現弧壓的驟降，意味著SPT 2沒有產生雙弧現象。以上兩種不同中間極內徑的SPT出現不同現象的原因如下。在相同的氣流量和弧電流下，由于SPT 2中間極1的內徑大于SPT 1的內徑，使工作氣體對冷氣膜的壓縮作用低于SPT 1中的壓縮作用。因此，在SPT 2中冷氣膜的厚度較大，使其擊穿電壓大于電弧與中間極之間的電勢差，起到抑制雙弧現象產生的作用。因此，可以得出：在相同的弧電流和氣流量下，中間極的內徑越小，越容易產生雙弧現象。

圖4 分段式陽極等離子體發生器2的弧壓特性曲線

2.2 射流長度

射流長度的變化也直觀地反映了雙弧現象的產生。當弧電流為140 A時，SPT 1的射流長度隨氣流量的變化如圖5所示。當氣流量從18 L/min降低到10 L/min時，SPT 1的射流長度以低于20 mm/（L·min-1）的速率減小。然而，當氣流量從10 L/min降低至8 L/min的過程中，射流長度從350 mm驟縮至150 mm，縮短速率高達100 mm/（L·min-1），是10-18 L/min范圍內速率的4倍。射流長度的急劇變短可能是由雙弧現象造成的。當SPT 1產生雙弧現象時，弧壓出現圖3所示急劇下降的情況。因此，弧壓驟降導致輸入功率極低，傳遞給射流的能量較少，流速減小，射流長度急劇縮短。射流長度的這種變化進一步證實了雙弧現象的產生。

圖5 分段式陽極等離子體射流長度隨氣流量的變化圖

2.3 雙弧現象發生時中間極的燒蝕

圖6(a)和(b)分別為圖2所示的SPT 1中雙弧現象發生前，新中間極 1的前端面(靠近陽極)和后端面(靠近陰極)照片。在實驗過程中，當弧電流為140 A，氣流量為8 L/min時，工作弧壓和射流長度出現急劇下降，立即關閉電源系統，拆開SPT 1觀察中間極1的端面燒蝕情況。圖6(c)和(d)分別為雙弧現象發生后，中間極1的前端面和后端面照片。可以看出，中間極1的前端面出現嚴重燒蝕痕跡，而后端面有輕微的燒蝕。SPT 中出現這種現象的原因如下。當分段式陽極等離子體發生器1產生雙弧現象時，在中間極1上出現一個新的陽極弧根和一個新的陰極弧根。新的陽極弧根在旋向氣體的作用下在其內表面不斷地旋轉，因此，中間極1的后端面燒蝕是輕微的。然而，新的陰極弧根位置幾乎是靜止的，高溫環境致使其前端面燒蝕較嚴重。中間極的燒蝕更加證實了雙弧現象的產生。

圖6 中間極1的端面圖

3 結語

本文通過實驗研究氣流量、弧電流、中間極的內徑對分段式陽極等離子體發生器產生雙弧現象的影響，得出了以下結論：

（1）在分段式陽極等離子體發生器運行過程中，通過觀察弧壓的驟降、射流長度的急劇縮短、中間極的燒蝕，綜合分析出分段式陽極等離子體發生器是否產生雙弧現象。

（2）根據上述三個方面的分析得出：分段式陽極等離子體發生器在特定的工作參數（較低的氣流量、較高的弧電流、較小的中間極內徑）下，更容易產生雙弧現象。

在下一步的工作中，應對分段式陽極等離子體發生器中雙弧現象的產生條件予以進一步的研究，從而對其結構設計及工作參數的選擇提供一定的理論依據。