不同电极运动形式下电火花堆焊放电机理分析学习体会

文献概况

本文发表于《表面技术》2021年第50卷第6期，由河南科技大学陈俊潮等作者完成，研究课题得到国家自然科学基金和河南省高等学校重点科研项目资助。文章系统分析了旋转电极和超声振动电极两种运动形式下电火花堆焊的放电机理差异，揭示了电极运动形式对放电类型、放电电流和沉积效率的影响规律。

电火花堆焊（Electrical Spark Deposition, ESD）是一种利用脉冲放电将电极材料转移至基体表面的表面强化技术。与传统电弧堆焊相比，电火花堆焊具有以下特点：

电极运动形式是电火花堆焊工艺中的关键参数之一，直接影响放电间隙的稳定性、接触状态的变化规律以及放电参数的波动特性。

文献通过系统的放电试验，揭示了旋转电极和超声振动电极在放电机理上的本质差异。

从放电机理角度深入分析，两种电极运动形式的差异根源在于电极与基体之间接触状态的变化规律不同：

旋转电极：电极与基体之间为切向旋转运动，接触点处的相对运动方向与放电方向垂直。这种运动模式使得接触间隙变化幅度小、变化速度慢，接触面积变化相对平稳。因此，放电类型较少（仅3种），放电电流较大且波动小。切向运动还使得接触点处的摩擦热积累效应显著，有利于提高接触电阻的稳定性。

超声振动电极：电极与基体之间为上下超声振动运动，接触点处的相对运动方向与放电方向平行。这种运动模式使得接触间隙变化幅度大、变化速度快，接触面积在"接触-分离"之间快速交替。因此，放电类型丰富（共8种），放电电流较小但波动大。超声振动的高频特性使得放电过程呈现高度动态化特征。

转移系数（即转移到基体的电极材料量占电极总消耗量的比例）是衡量电火花堆焊效率的重要指标。文献结果显示，超声振动电极的转移系数（92%）显著高于旋转电极（79%），这一差异具有重要的工艺优化意义。

转移系数差异的原因分析：

放电类型的影响：超声振动电极的混合放电类型更多，混合放电过程中电极材料的转移效率通常高于纯短路放电。短路放电时，电极材料以"搭焊"方式转移，部分材料可能飞溅损失；而间隙放电和混合放电时，电极材料以"喷射"方式转移，飞溅损失较小。
接触状态的影响：超声振动电极的接触间隙变化大，在间隙放电阶段，电极材料在电场力作用下以细丝状喷射至基体表面，转移效率更高。而旋转电极的接触间隙变化小，短路放电比例较高，搭焊式转移的效率相对较低。
放电能量的分配：超声振动电极的放电电流较小，但放电能量更集中地作用于电极-基体间隙区域，有利于电极材料的有效转移。旋转电极的放电电流较大，但部分能量消耗在接触点的电阻热上，转移效率相对较低。

文献对两种电极运动形式的放电电压和电流波形进行了详细分析，这是理解放电机理的重要基础数据。

从电流波形特征看：

旋转电极：电流波形呈现较规律的周期性波动，短路放电阶段电流峰值高（约11.29 kA），间隙放电阶段电流下降（约6.9 kA），两种放电状态交替出现的频率较低。
超声振动电极：电流波形呈现高频、大幅度的不规则波动，短路放电阶段电流峰值较低（约6.0 kA），间隙放电阶段电流更低（约3.66 kA），多种混合放电状态快速交替出现。

这种波形差异直接影响堆焊层的成形质量：旋转电极的规律性放电有利于形成均匀致密的堆焊层，而超声振动电极的动态放电则可能产生更细化的堆焊层组织，但成形均匀性控制难度较大。

电火花堆焊技术在管道工程中的应用场景包括：

从工艺选择角度，两种电极运动形式的适用场景有所不同：

文献中提到的"转移系数"定义为转移到基体的电极材料量占电极总消耗量的比例，这一定义是否包含了飞溅损失和氧化损失？在实际应用中，飞溅损失是电火花堆焊的主要材料损失形式之一，超声振动电极的高转移系数是否意味着其飞溅损失显著低于旋转电极？

另一个值得深入探讨的问题是：电极运动形式对堆焊层微观组织的影响。放电电流的大小和波动特性直接影响熔池的温度梯度和凝固速率，进而影响堆焊层的晶粒尺寸、相组成和残余应力分布。超声振动电极的低电流、高动态放电是否有利于形成更细化的堆焊层组织？这一问题的解答对于优化电火花堆焊的微观组织控制具有重要意义。

本文的研究系统揭示了电极运动形式对电火花堆焊放电机理的影响规律，为工艺优化提供了理论依据。对于从事管道表面强化技术的工程技术人员而言，最大的启示在于：电火花堆焊的工艺优化不应仅关注放电参数（电流、电压、频率等），电极运动形式作为影响放电过程的基础性因素，同样需要纳入工艺优化的考量范围。

从技术发展趋势看，电火花堆焊技术正朝着多参数协同控制、在线监测与自适应调节、以及与其他表面强化技术（如激光熔覆、等离子喷涂）的复合应用等方向演进。在管道工程领域，随着对薄壁管道、精密管件和特殊工况管道表面强化需求的不断增加，电火花堆焊技术有望发挥更加重要的作用。