单脉冲放电过程中等离子体通道的观测研究

田 静，杨晓冬

（哈尔滨工业大学机电工程学院，微系统与微结构制造教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨150001）

电火花加工是目前应用广泛且具有发展前景的特种加工方法之一，是在加工过程中使工具和工件之间不断产生脉冲性火花放电，依靠放电时局部产生的高温将材料蚀除[1]。火花放电过程的第一阶段是极间介质击穿，形成等离子体放电通道，等离子体通道在工具电极和工件表面形成瞬时高温热源，将放电点处的材料通过熔化、气化蚀除。因此，等离子体通道的形成和变化过程等直接影响材料的蚀除及放电凹坑的形貌等加工特性。研究等离子体通道，对于更好地分析火花放电微观过程和电火花加工机理具有重要意义。

新的实验观测工具和测量技术的蓬勃发展，给等离子体通道的研究提供了有利的基础。由于火花放电过程是在极短的放电时间内发生在极小的放电间隙里，以往的研究人员只能通过分析放电结果及大量实验数据，推导出各种等离子体通道半径的经验公式[2-4]。近年来随着新技术的成熟应用，等离子体通道的研究有了更直观的体现。Kojima等[5]对放电通道半径的形成过程进行了高速摄像采集，并对等离子体通道进行了光谱仪分析。Kitamura等[6]及Macedo[7]等采用了类似的观测手段对等离子体通道进行了研究。以上研究结果均表明，等离子体通道在介质击穿后几微秒内完成膨胀，之后通道直径保持恒定。

在目前研究中，对于火花放电中等离子体通道的研究大多数仅集中于通道直径的大小。为了进一步地了解、认知等离子体通道，本文在专门设计的单脉冲放电观测实验装置上进行了一系列单脉冲放电实验，并用高速摄像机采集记录，对等离子体通道的形成和变化过程等进行了观测研究。

1 实验装置及实验条件

单脉冲放电过程中的等离子体通道观测实验装置见图1。实验采用单脉冲电源，通过示波器对放电电流进行捕捉，示波器被触发的同时触发高速摄像机，高速摄像机开始存储拍摄到的放电过程并将图像传输到计算机中。实验所用高速摄像机为Phantom系列黑白摄像机，通过千兆网线与计算机连接。放电开始之前，工具电极和工件电极之间的极间间隙通过接触感知确定零间隙位置，通过微动平台调整放电间隙。

图1 单脉冲放电观测实验装置示意图

根据观察、研究的侧重点不同，实验条件和拍摄条件均不同。实验条件见表1，拍摄条件见表2。表1中所列出的三种工具电极放电端部形状示意图见图2。

表1 等离子体通道观测实验条件

表2 等离子体通道观测拍摄条件

图2 工具电极放电端部形状示意图

2 等离子体通道直径观测结果分析

下文以高速摄像机捕捉到的第一张出现白光的图像为第1帧图像。该图像中的白光除等离子体通道所发出的光外，还有高温熔融金属反射的光，通过观察整个单脉冲放电过程可以发现，等离子体通道所发出的光更集中更亮，而高温金属反射的光区域范围大且模糊不清；同时还发现，等离子体通道在极间处于不断运动状态。因此，在估测等离子体通道直径时，本文选取等离子体通道运动到电极中间位置焦面上的图像进行分析。

2.1 等离子体通道膨胀与消失过程直径变化

本部分实验条件和拍摄条件同表1、表2，其中放电间隙为 40 μm、图像为分辨率 128×32 pixel、相机拍摄帧数为58万帧、曝光时间为1.316 μs。为了更清楚地展现出等离子体通道膨胀的全过程，实验选用了小分辨率下的最高帧率及最大曝光时间。

图3是采用直径1 mm的倒圆平头紫铜工具电极进行的单脉冲放电过程。可见，白色曲线为工具电极轮廓线，虚线为工件轮廓线，箭头所标出的区域宽度为等离子体通道直径。T=0 μs时为放电开始前，此时工具电极最底端到工件平面的距离即放电间隙为 40 μm。 T=0～1.316 μs时，高速摄像机捕捉到第1帧图像，该图像中出现明亮的白光即等离子体通道，这表示极间介质在该时间段内的某时刻被击穿形成放电通道，而后放电通道开始膨胀扩大；根据极间间隙大小估计约T=1 μs时等离子体通道直径约为 60 μm。 T=1.71～3.026 μs时，高速摄像机捕捉到第2帧图像，与第1帧相比可明显看出等离子体通道发生了急速地膨胀；估测T=3 μs时等离子体通道直径约为200 μm，再对比后面的第34帧、第201帧图像可判断出，此时的等离子体通道基本上完成了膨胀过程（图4）。

另外还可见，在第3帧图像中，极间介质被高温等离子体汽化为蒸汽形成的气泡快速扩张崩溃，阻碍了相机的拍摄视线，因此白光模糊一片。从第4～33帧图像均因上述原因无法清楚地观察到等离子体通道的情况。在第34帧图像和随机选取的第201帧图像中，煤油已经完全飞溅开，相当于此时的放电过程在气中稳定进行，图像中高亮白光即为等离子体通道所发出，由图像可估计等离子体通道的稳定直径约为200 μm。第393帧是捕捉到的等离子体通道开始收缩的图像，即通道收缩发生在T=670.32～672.03 μs时间段内的某时刻。第394帧图像与上一帧对比，可以明显看出等离子体通道急剧消失，几乎看不到明亮的白光。在第395帧图像中，极间已完全没有亮光，这表示此时等离子体通道完全消失，而图像中模糊不清的暗光为高温金属所反射的光。

图3 等离子体通道膨胀与消失过程观测

图4 等离子体通道膨胀过程示意图

根据以上观测结果可得出：在放电电流15 A、放电间隙40 μm条件下，极间介质击穿后的等离子体通道在约3 μs的时间里完成膨胀，之后保持稳定，稳定的通道直径约200 μm；而在放电结束时，等离子体通道又在约4 μs的时间里迅速收缩直至消失。通过多次重复实验，均可得到上述结论；通过观察不同电极形状下的放电过程，也可发现等离子体通道完成膨胀和消失的时间均为几微秒。下文所提等离子体通道直径大小，是指膨胀完成后的稳定通道的直径大小。

2.2 电极放电端部形状对通道直径大小的影响

为了研究电极放电端部形状对等离子体通道直径大小的影响，在表1、表2所示条件下，分别采用直径1 mm的平头、倒圆平头、尖头紫铜工具电极（图2）进行实验。其中，采用平头、倒圆平头电极时的放电间隙为40 μm，采用尖头电极时的放电间隙为20 μm。由于尖头电极易出现电极损耗，放电之后的极间间隙会迅速增大，为了对比相同放电间隙下的放电通道，实验在尖头电极情况下采用了较小的初始放电间隙；由于尖头电极迅速出现电极损耗，选取电极损耗后、间隙约40 μm时的图像与另两种电极时的图像对比。相机拍摄时，取图像分辨率为256×128 pixel、拍摄帧数为14万帧、曝光时间为 1 μs。

从图5所示不同电极放电端部形状下的等离子体通道图像可见，在其他条件相同的情况下，电极放电端部形状对等离子体通道直径的影响不大。根据多次重复实验观测结果可发现，在放电电流为15 A、放电间隙40 μm条件下，三种形状电极放电过程中等离子体通道的稳定直径均约为200 μm。

图5 不同电极放电端部形状下的等离子体通道

3 等离子体通道运动状况观测结果分析

3.1 等离子体通道的极间运动规律

在实验中观察发现等离子体通道在极间处于不断运动状态，本文以倒圆平头电极下的放电过程为例分析其运动规律。图6是直径1 mm的倒圆平头紫铜工具电极的单脉冲放电过程。实验、拍摄条件分别如表1、表2所示，其中放电间隙40 μm、图像分辨率256×128 pixel、相机拍摄帧数14万帧、曝光时间1 μs。以明亮白光区域从电极中心一侧至另一侧再运动回该侧做为一次运动，完成一次运动的时间为运动周期，一次运动中通道中心偏离电极中心的最大距离为运动幅度。为了清楚地展现等离子体通道在极间运动的规律，取不同放电时间段内的四组图片，每组图片均由连续的三帧图像组成（图6a～图6d）。可见，等离子体通道的运动幅度随着放电的进行逐渐增大至最大值，运动周期并不固定。根据多次重复实验结果估测：约40 μs时，运动幅度约为 60 μm；约 120 μs时，运动幅度约为 200 μm；约180 μs时，运动幅度约为400 μm，近似于倒圆平头电极放电端部平面部分的宽度。观察不同的电极放电端部形状下的放电过程可知，等离子体通道的极间运动规律相同，即运动周期不固定，运动幅度逐渐增大至所能达到的最大值。

图6 等离子体通道的极间运动过程

另外，由图6c、图6d的连续帧图像可见，等离子体在极间做类圆周运动而非单纯的左右往复运动；图6a、图6b的图像中由于运动幅度不大，前后运动不明显，只能看出等离子体在极间往复运动。上述每组图片中都有较模糊、通道形状不规则的图像，一方面是因为等离子体通道运动至偏离焦面处，拍摄出的图像不清晰；另一方面是因为某些时刻，通道运动至电极边缘，而边缘处的极间间隙与中心处不同，造成通道本身形状有所变化。

3.2 电极放电端部形状的影响

虽然不同的电极放电端部形状下等离子体通道的极间运动规律相同，但等离子体通道的最大运动幅度、运动路径不同。本部分实验采用直径1 mm的平头、倒圆平头、尖头紫铜工具电极进行实验。实验条件和拍摄条件与前述情况相同。

从前文可知，等离子体通道的运动幅度随着放电的进行逐渐增大，且放电过程前期图像所示的运动幅度小、运动路径不明显，因此取放电过程中后期的等离子体通道运动幅度已达到最大时的连续帧图像来清楚地展示运动情况。

从图7～图9中可见，在其他条件相同时，不同电极放电端部形状下等离子体通道的运动情况有所不同，且等离子体通道的最大运动幅度取决于电极放电端部形状，平头电极和倒圆平头电极下的最大运动幅度都近似于电极放电端部平面部分的宽度。平头电极下，由于电极底端较宽，运动幅度大于倒圆平头和尖头电极，其圆周运动的趋势并不明显，更近于往复运动（图7）；尖头电极的运动幅度明显较小，由图8能清晰看出等离子体通道绕电极做圆周运动的过程，但其中第一张图像显示出通道运动到了两极的正中间，这说明通道运动并不是规律的圆周运动；倒圆平头电极的运动幅度介于平头电极和尖头电极之间，由图9可见，通道时而绕电极外围运动，时而又压入极间晃动，这更加说明等离子体通道运动是类圆周运动，且当通道压入极间时可明显看出熔池随之晃动变化，这说明等离子体通道的运动对于熔池运动过程及最终放电凹坑形貌等有很大影响。

图7 平头电极情况下的等离子体通道

图8 尖头电极情况下的等离子体通道

图9 倒圆平头电极情况下的等离子体通道

4 结论

本文利用高速摄像机对单脉冲放电过程中等离子体通道的形成和变化过程等进行了观测研究。实验结果表明：

（1）极间介质击穿后，等离子体通道在几微秒内完成膨胀，之后通道以稳定直径在极间不断做类圆周运动，运动周期不固定，运动幅度逐渐增大，放电结束时几微秒内等离子体通道又迅速消失。

（2）电极放电端部形状对于等离子体通道直径影响不大，但对于通道运动状况影响显著。