分段式阳极等离子体发生器中双弧现象的研究*

吕 程 余德平 刘方圆 熊志强 钟彦杰 姚 进

（四川大学 制造科学与工程学院 成都 610065）

热等离子体由于具有高温、高热焓、高能量密度等特性被广泛应用于纳米材料制备、深孔喷涂、粉末球化、表面淬火、危废处理[1-5]等领域。为了满足不同的应用要求，从结构方面电弧等离子体发生器分为三种不同的类型[6—10]：单阳极发生器、台阶式阳极发生器和分段式阳极等离子体发生器。分段式阳极等离子体发生器的主要特点是通过在阴极和阳极之间插入多个中间电极来增加电弧长度。从而有以下两个显著特点：(1)在固定功率下，电弧长度较长使得弧电流相对较低，导致电极的烧蚀程度相对较低。(2)分段式阳极等离子体发生器不仅可以避免大尺度分流现象的产生[11]，而且提高了等离子体射流的稳定性。

当分段式阳极等离子体发生器正常工作时，电弧在阴极和阳极之间燃烧。根据 Steenbeck最小弧压原理[12-13]，等离子体电弧总是稳定在弧压为最小值的状态。当分段式阳极等离子体发生器中间极的内径减小或中间极的长度增大或工作参数设置不恰当时，原先的电弧会被新生成的两段串联电弧所取代，一段电弧连接着阴极和中间极，另一段电弧连接着中间极和阳极，在中间极上产生一个新的阳极弧根和一个新的阴极弧根，即双弧现象。该现象造成中间极的严重烧蚀和等离子体射流的波动。过增元[14]在 1979年提出在非转移弧型的多级阳极等离子体发生器中，也会发生类似于双弧的所谓串弧现象。高阳等人[15]对双阳极等离子体发生器中的双弧现象进行了初步的研究，并定性地讨论了双弧现象的预防措施。但是，很少有对分段式阳极等离子体发生器中的双弧现象进行过深入的报道。然而，国内外学者对等离子体切割炬中的双弧现象研究较多。在等离子体切割炬中，喷嘴位于阴极和阳极之间，阳极是待切割的工件。当工作参数设置不恰当时，弧电流会从阴极流向喷嘴，再流向工件，最终导致在喷嘴处产生双弧现象。为了研究等离子体切割炬中的双弧现象，Nemchinsky等人[16]提出了一种双弧现象的触发机制和验证该机制的实验方法。Prevosto等人[17-18]提出了等离子体切割炬中双弧现象的物理解释，并阐述了双弧现象出现在低气流量处的原因。Kruczinin等人[19]确定了发生双弧现象的电流临界值。上述关于等离子体切割炬中双弧现象的报道，为深入研究分段式阳极等离子体发生器中双弧现象提供了一定的理论依据。

曹修全等人[20]分析了层流等离子发生器中的双弧现象，并初步提出了双弧现象的抑制措施，但缺乏对产生双弧现象的实验论证。本文通过实验研究了气流量、弧电流和中间极的内径对产生双弧现象的影响，旨在对其设计和实验参数的选择提供一些理论依据和指导。

1 实验设计

1.1 实验装置

实验采用的分段式阳极等离子体发生系统如图1所示，主要由供气系统、冷却系统、电源系统、采集系统和分段式阳极等离子体发生器组成。供气系统由LF400S气体质量流量控制仪精确控制气体流量，将工作气体通入等离子体发生器。冷却系统采用风冷柜式冷水机组，将去离子水冷却至20℃供给等离子发生器和电源。电源系统采用直流等离子体电源，以 90% 的转换效率将三相交流电转换为直流电供给等离子体发生器。采集系统包括数据和射流图像采集系统，数据采集系统采用数据采集卡NI USB-6210获得瞬时工作弧压；射流图像采集系统采用 CCD相机等图像采集设备，实时采集等离子体射流图像信息。

图1 分段式阳极等离子体发生系统示意图

分段式阳极等离子体发生器的示意图如图2所示，主要由阳极、中间极1、中间极2、中间极3、引弧环、绝缘环、阴极头、阴极座、阴极冷却管等组成，且各部分之间用绝缘环绝缘并单独通水冷却，以延长电极的使用寿命。

图2 分段式阳极等离子体发生器示意图

1.2 实验条件

为了研究气流量g、弧电流I、中间极的内径d对分段式阳极等离子体发生器产生双弧现象的影响，分别采用两种不同的分段式阳极等离子体发生器（SPT），工作参数如表1所示。为了使分段式阳极等离子体发生器产生双弧现象，将图2中任一中间极的轴向长度设置为30 mm，而其他中间极的轴向长度设置为13 mm。以氮气为工作气体，通过调试发现，当气流量低于6 L/min时，等离子体射流波动较大，不利于等离子体发生器的长期运行。因此以每次降低2 L/min的速率，将气流量由18 L/min降低到6 L/min，并记录每组参数对应的弧压值和射流图像信息。

当分段式阳极等离子体发生器产生双弧现象时，弧压的急剧下降伴随着射流长度的骤短。因此，在实验过程中，当等离子射流长度或弧压出现急剧下降时，应立即关闭电源系统以避免中间极的严重烧蚀。通过拆开SPT观察中间极端面的烧蚀情况，如果存在严重的烧蚀痕迹，将拍摄中间极的端面图来记录双弧现象的发生。

表1 两种分段式阳极等离子体发生器的工作参数

2 结果与讨论

2.1 弧压

分段式阳极等离子体发生器1在不同气流量下弧压的变化特性曲线如图3所示。可以看出，当弧电流一定时，弧压随着气流量减小而下降。例如，当弧电流为 100 A，气流量从 18 L/min下降到 6 L/min时，弧压从181 V降低到166 V，并且弧压随气流量下降的平均下降速率为1.25 V/(L·min-1)。原因是当弧电流一定时，减小气流量使工作气体对电弧的压缩作用减弱，导致电弧电阻的横截面积减小，使得电弧电阻减小，从而弧压降低。当气流量一定时，工作弧压随着弧电流的增大而增大，原因是弧电流的增大使得电弧温度升高，导致电弧电阻减小，由于电弧电阻的减小率高于弧电流的增加率，因此弧压随着弧电流的增大而减小。

图3 分段式阳极等离子体发生器1的弧压特性曲线

弧压的变化可以直观地反映双弧现象的产生。当弧电流为140 A，气流量从18 L/min 下降到10 L/min时，弧压从178 V降低到165 V，弧压随气流量下降的平均下降速率为1.63 V/（L·min-1）。然而，当气流量从10 L/min下降至8 L/min时，弧压从165 V急剧地下降到159 V，弧压随气流量下降的平均下降速率为 3 V/（L·min-1），几乎是气流量在 18 L/min～10 L/min范围内弧压下降速率的1.8倍。弧压出现这种急剧变化的原因如下。当分段式阳极等离子体发生器正常工作时，在电弧和中间极之间形成一层冷气膜，然而当弧电流为140 A，气流量从10 L/min下降至8 L/min即当I=140 A ，g=8 L/min时，工作气体对电弧的压缩逐渐减弱，使弧柱直径增加，导致冷气膜厚度的减小。此时，冷气膜的厚度可能很薄，而其击穿电压与冷气膜的厚度成正比，因此冷气膜的击穿电压减小且低于电弧与中间极之间的电势差，最终导致双弧现象的产生。电弧在阴阳极之间燃烧时，电弧与每段中间极之间存在不同的电势差，尤其在中间极的出口位置它们之间的电势差达到最大值，因此在中间极的出口处最可能产生双弧现象。正是由于双弧现象的产生，弧柱长度急剧减小，使得电弧电阻减小，导致弧压骤降。可以得出，当气流量较低或弧电流较大时，分段式阳极等离子体发生器越容易产生双弧现象。

分段式阳极等离子体发生器2在不同气流量下弧压的变化特性曲线如图4所示。当弧电流一定时，弧压随着气流量的减小而降低。特别的是，当弧电流为140 A，气流量从18 L/min减小至6 L/min时，弧压以恒定速率从160 V降低至144 V。在这个过程中，没有出现弧压的骤降，意味着SPT 2没有产生双弧现象。以上两种不同中间极内径的SPT出现不同现象的原因如下。在相同的气流量和弧电流下，由于SPT 2中间极1的内径大于SPT 1的内径，使工作气体对冷气膜的压缩作用低于SPT 1中的压缩作用。因此，在SPT 2中冷气膜的厚度较大，使其击穿电压大于电弧与中间极之间的电势差，起到抑制双弧现象产生的作用。因此，可以得出：在相同的弧电流和气流量下，中间极的内径越小，越容易产生双弧现象。

图4 分段式阳极等离子体发生器2的弧压特性曲线

2.2 射流长度

射流长度的变化也直观地反映了双弧现象的产生。当弧电流为140 A时，SPT 1的射流长度随气流量的变化如图5所示。当气流量从18 L/min降低到10 L/min时，SPT 1的射流长度以低于20 mm/（L·min-1）的速率减小。然而，当气流量从10 L/min降低至8 L/min的过程中，射流长度从350 mm骤缩至150 mm，缩短速率高达100 mm/（L·min-1），是10-18 L/min范围内速率的4倍。射流长度的急剧变短可能是由双弧现象造成的。当SPT 1产生双弧现象时，弧压出现图3所示急剧下降的情况。因此，弧压骤降导致输入功率极低，传递给射流的能量较少，流速减小，射流长度急剧缩短。射流长度的这种变化进一步证实了双弧现象的产生。

图5 分段式阳极等离子体射流长度随气流量的变化图

2.3 双弧现象发生时中间极的烧蚀

图6(a)和(b)分别为图2所示的SPT 1中双弧现象发生前，新中间极 1的前端面(靠近阳极)和后端面(靠近阴极)照片。在实验过程中，当弧电流为140 A，气流量为8 L/min时，工作弧压和射流长度出现急剧下降，立即关闭电源系统，拆开SPT 1观察中间极1的端面烧蚀情况。图6(c)和(d)分别为双弧现象发生后，中间极1的前端面和后端面照片。可以看出，中间极1的前端面出现严重烧蚀痕迹，而后端面有轻微的烧蚀。SPT 中出现这种现象的原因如下。当分段式阳极等离子体发生器1产生双弧现象时，在中间极1上出现一个新的阳极弧根和一个新的阴极弧根。新的阳极弧根在旋向气体的作用下在其内表面不断地旋转，因此，中间极1的后端面烧蚀是轻微的。然而，新的阴极弧根位置几乎是静止的，高温环境致使其前端面烧蚀较严重。中间极的烧蚀更加证实了双弧现象的产生。

图6 中间极1的端面图

3 结语

本文通过实验研究气流量、弧电流、中间极的内径对分段式阳极等离子体发生器产生双弧现象的影响，得出了以下结论：

（1）在分段式阳极等离子体发生器运行过程中，通过观察弧压的骤降、射流长度的急剧缩短、中间极的烧蚀，综合分析出分段式阳极等离子体发生器是否产生双弧现象。

（2）根据上述三个方面的分析得出：分段式阳极等离子体发生器在特定的工作参数（较低的气流量、较高的弧电流、较小的中间极内径）下，更容易产生双弧现象。

在下一步的工作中，应对分段式阳极等离子体发生器中双弧现象的产生条件予以进一步的研究，从而对其结构设计及工作参数的选择提供一定的理论依据。