金属等离子体源结构设计及实验研究

王凯鹏，李占贤

(华北理工大学 河北省工业机器人产业技术研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

金属电弧源的结构设计对研究真空电弧的放电特性具有重要的意义，金属电弧本质上是一种依靠金属蒸气作为放电介质而产生的电弧，在放电时温度会达到上千摄氏度，因此需要有冷却水结构进行冷却，在实验中，发生器结构材质也会对实验的结果产生很大的影响。国内外对金属等离子体结构的设计多种多样，如国外Beilis[1]等人和Shashurin[2]等人设计的离子源，国内郑乐[3]等人和于永澔[4]等人设计的金属电弧源。本文借鉴以上的结构设计了具有放电稳定、电弧射流较长、烧蚀率较低的低气压金属电弧源发生器结构，并对金属电弧源进行了实验研究，研究了电极结构、放电电流大小、冷却水这三个因素对金属电弧放电的影响。

1 金属等离子体发生器结构的设计

通过对金属离子源相关文献的研究，设计了如图1所示的发生器结构。发生器阴、阳极材质均为紫铜，该结构可进行阳极放电或者阴极放电，本实验并未进行阴极放电实验，初步实验阶段为阳极放电。

图1 金属等离子体发生器结构示意图

考虑到放电过程中阴、阳极的烧蚀，除了阳极头可更换外，阴极耗材也可以更换，阴极耗材结构示意图如图2所示。

2 金属放电实验参数的确定

本实验供电电源是WS-315C氩弧焊机，可进行高频引弧和接触引弧，电流可以在0 A～100 A调节。通过大量实验，我们获得了稳定持续的金属放电长射流，放电时间可达7 min，射流长度大于10 cm。由于机械泵莱宝D60C可以使真空度达到0.5 Pa，再加上实验装置密封性问题，本实验一般是在20 Pa～300 Pa的真空度下进行，这对真空电弧放电具有一定影响，在此基础上获得了初步的实验参数：圆柱状钼或铜阳极耗材，电极间距为0.4 mm～1 mm，高频引弧，放电电流为30 A～80 A，冷却水温度为16 ℃，用真空泥和绝缘胶带对发生器裸露壁面和尖端进行空气隔绝。

图2 阴极耗材结构示意图

3 金属放电实验

3.1 阳极耗材结构对放电实验的影响

放电电极形状和尺寸对电弧射流的形成有很大的影响，本实验对放电电极形状进行了实验探究。根据电极头部形状的不同，主要设计了圆柱状、锥角状、半球状三种电极结构，其形状和尺寸如图3所示。

图4为金属等离子体放电图片。实验探究发现：当铜和钼耗材形状为圆柱状时，阳极更容易起弧，容易起弧的原因主要是：

(1) 圆柱状阳极耗材和阴极耗材之间的放电间距更容易准确调节，而锥角状和半球状放电间距不容易准确调节，放电间距只能粗略估算。

(2) 阳极耗材在放电时由于不断地烧蚀，导致它与阴极耗材之间的间距逐渐扩大，不利于放电的稳定性和持续性，圆柱状阳极耗材与阴极耗材的相对结构位置更有利于较长时间保持放电间距。圆柱状阳极耗材和阴极耗材的相对结构位置如图5所示。

图3 电极形状及尺寸

图4 金属等离子体放电图片

图5 圆柱状阳极耗材和阴极耗材的相对结构位置

3.2 放电电流对金属放电实验的影响

实验研究发现：放电电流为30 A时高频引弧就可以成功起弧；放电电流越大，起弧越容易，阳极耗材烧蚀的越剧烈，放电越剧烈，电极烧蚀的越严重。放电电流在30 A、60 A、80 A时的钼和铜电极头烧蚀实验如图6所示。

3.3 有无冷却水对金属放电实验的影响

实验还研究了在没有冷却水情况下的电极烧蚀情况。当放电电流为40 A时，没有冷却水情况下，放电非常剧烈，烧蚀时间短，约为1 min～3 min，阳极耗材铜和钼的烧蚀非常严重，如图7所示。使用16 ℃左右的冷却水后，放电时间明显增加，放电稳定性也有所提高。

图6 不同电流下钼和铜电极头的烧蚀实验 图7 没有冷却水时阳极耗材烧蚀情况

4 结语

本文设计了金属放电发生器结构，并对设计的金属电弧源进行了实验研究，主要包括电极结构、放电电流大小、冷却水这三个因素对金属电弧放电的影响。该金属电弧结构产生的放电射流和烧蚀时间较长，放电稳定，可为今后金属电弧结构的设计和实验提供借鉴。

参考文献：

[1] Beilis I I.Microplasma generation in a microscale short vacuum arc[J].Applied Physics Letters,2008,92(12):121-501.

[2] Shashurin A,Zhuang T,Teel G,et al.Laboratory modeling of the plasma layer at hypersonic flight[J]. Journal of Spacecraft & Rockets, 2014, 51(3):838-846.

[3] 郑乐.脉冲真空弧离子源等离子体参数诊断研究[D].绵阳：中国工程物理研究院,2014：1-5.

[4] YU Yong-hao,WANG Lang-ping,WANG Xiao-feng,et al.Diagnostics of metal plasma in radio frequency glow discharge during electron beam evaporation[J].IOPscience,2015(8):102-106.