基于硼酸溶液的電火花加工機理分析及實驗研究

鄭 倩 張亞歐 高 強 盧軍成 楊翔鈞 趙萬生

1.上海交通大學機械與動力工程學院,上海,200240 2.上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室,上海,200240

0 引言

核電廠反應堆堆內構件長期服役于高溫、高振動、高放射性環境,會出現諸如磨損、腐蝕、疲勞開裂等損傷,為保障核電廠安全運行,需要對零部件定期維修和更換[1-2]。堆內零部件帶有強烈的放射性,需要以硼酸水溶液為屏蔽介質,因此核電廠堆內零部件在線維修需要在硼酸環境中進行[3]。在輻射、水下、酸性以及狹小空間環境下,傳統加工方法存在機械作用力,會影響堆內構件的剛度和強度。電火花加工(electric discharge machining,EDM)是非接觸式加工,無宏觀作用力,可以保證反應堆內待加工部件的機械剛度和強度不受影響,因此研究在硼酸溶液中的電火花加工有很高的應用價值。

電火花加工通過電極與工件之間產生的瞬時放電高溫蝕除工件表面材料,其工作介質多為絕緣性的液體。加工介質的作用通常是導熱、冷卻、排屑和消除極間電離的加工狀態[4],有火花油、去離子水、乳化液和加入分散劑的溶液等,其中,去離子水是常用的清潔環保的工作介質[5]。國內外學者發現采用添加物可以提高水中電火花加工的加工質量,唐浩峰等[6]研究了分散劑在電火花小孔加工中的作用機理,發現分散劑可以提高電導率和加工效率;楊曉鵬等[7]發現工作介質的電導率越高,其再鑄層厚度越大;薛榮媛等[8]研究了含有添加物的工作介質的黏度對電火花加工的影響,發現介質黏度增大會提高電極相對損耗(tool wear ratio,TWR),但能夠減少表面微裂紋;王祥志等[9]研究發現介質氧化特性的提高可以提高加工效率,但會增加電極損耗,促進微觀微裂紋的生成。為了探究電加工表面的完整性,EKMEKCI等[10]在不同介質液體中進行電火花加工,發現水的黏度低、導熱性強,更易形成再鑄層和微裂紋。但是,針對硼酸環境下的電火花加工還沒有涉及。

本文從堆內零部件在線維修的實際需求出發,研究硼酸溶液中電火花加工的可行性,通過實驗觀測揭示材料蝕除機理,運用實驗設計(design of experiment,DOE)探究工藝參數對加工性能的影響規律,成功實現核電設備的小孔成形加工,并分析小孔的尺寸精度和再鑄層分布規律,從而為核電廠堆內零部件電火花加工提供理論支撐。

1 實驗系統

1.1 實驗平臺

實驗平臺采用上海交通大學研制的六軸聯動數控電火花成形機床,如圖1a所示,機床采用自主開發的基于編碼器播放器架構的數控系統,可實現電源控制、多軸聯動、間隙伺服和高速抬刀等功能。搭建圖1b所示的高速攝像機觀測平臺,用于觀測硼酸溶液中電火花加工的材料蝕除過程。

(a)電火花成形機床

本文采用電子秤(良平,JA2003)測量加工前后電極的質量差,計算電極損耗。實驗過程中,基于高速攝像機(Phantom V2012)搭配放大鏡頭搭建觀測平臺,并使用激光光源照射放電區域,以實現電加工放電過程的實時觀測。對于電火花加工形成的再鑄層,采用光學顯微鏡(Keyence,VHX-6000)觀測表面形貌,并測量加工孔的直徑、粗糙度和蝕除材料體積,采用上海交通大學分析測試中心的六硼化鑭掃描電子顯微鏡(TESCAN,VEGA3)分析再鑄層的微觀結構和元素含量。

1.2 實驗材料與條件

為模擬實際加工環境和待加工特征,實驗采用直徑為3 mm的紫銅電極加工316不銹鋼工件。316不銹鋼為奧氏體不銹鋼,其化學成分如表1所示。由于添加了Mo元素,316不銹鋼的耐腐蝕性得到提高,常被用作核電反應堆內的金屬材料。

表1 不銹鋼316的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of stainless steel 316(mass fraction) %

實驗分別以硼酸溶液、火花油和純水為電火花加工的工作介質,均采用浸液式加工,在正極性(工件為正極)條件下沿Z軸豎直向下進行電火花成形加工。

2 硼酸溶液中電火花加工機理分析

2.1 機理分析實驗

為探究在硼酸溶液中電火花加工的可行性,選擇濃度為2200 mg/L的硼酸水溶液作為介質,模擬核反應堆內的實際工況進行電火花加工實驗。對比分析硼酸溶液與常用電介質中的加工特性,采用表2所示的四組不同電參數分別以火花油、水和硼酸溶液為介質進行放電加工。

表2 火花油、水和硼酸溶液中的加工電參數Tab.2 Machining electrical parameters in oil, water and boric acid solutions

相比于傳統的火花油中加工,硼酸中的電火花加工會產生大量氣泡,且放電非常劇烈,圖2所示為不同電參數下油、水和硼酸溶液中材料去除率的對比。各參數下硼酸溶液中的材料去除率均遠高于火花油中的材料去除率,這是因為作為水基溶液的硼酸溶液黏度比油的黏度低,更容易排屑,且油在加工過程中受熱分解,容易形成附在加工表面的雜質,影響加工的放電過程。各電參數下硼酸溶液中的材料去除率略低于水中的材料去除率[7],這是因為隨著工作液電導率的增加,電化學作用會增強,電極與工件在距離較遠的位置就可以通過電化學生成的氣泡產生放電,導致兩極之間的電壓與電流降低[11]。相同條件下,電火花加工單脈沖的能量由兩極間擊穿電壓、擊穿電流和放電持續時間等決定,由于與水相比,硼酸溶液的電導率更高,其擊穿電壓和擊穿電流較低,故導致其材料去除率略低。

圖2 油、水和硼酸溶液中的材料去除率對比Fig.2 Comparison of material removal rate in oil, water and boric acid solutions

2.2 氣泡輔助放電機理

與火花油不同,硼酸溶液中的電火花加工過程會出現大量氣泡,為研究氣泡對放電的影響,通過圖1所示的高速攝像機觀測平臺觀測放電加工過程。圖3所示為高速攝像機拍攝到的氣泡產生和合并過程,紅色框內表示氣泡在不同時間下的位置和狀態。觀測發現在放電開始前極間會產生大量小氣泡,隨后小氣泡逐漸合并成大氣泡。這是因為具有不同大小氣泡的氣液泡沫是一個不穩定的系統,與大氣泡相比,小氣泡的表面壓力更大,系統根據Ostwald ripening理論[12]向更穩定的大氣泡系統演化,導致大氣泡逐漸合并周圍的小氣泡,最終大氣泡充斥極間間隙。

(a)放電(t=33 ms)

電火花加工的工件和工具電極存在電壓差,隨著極間間距的減小,帶正電和負電的粒子高速運動擊穿極間介質形成放電通道,從而產生放電。通過圖4可觀測到電極和工件的間隙中存在氣泡并產生放電的過程,這是因為氣泡內部電場強度大于工作液中的電場強度,同時,與液體介質相比,氣體的抗電擊穿強度更小,氣泡內部更容易形成放電通道[13]。硼酸溶液的pH值較低,氣泡表面可以提供放電的初始電子,提高等離子體的電子密度,從而促進放電[14],因此硼酸溶液中電火花加工產生的大量氣泡可以輔助放電,提高材料去除率。

(a)小氣泡產生(t=589 ms)

2.3 氣泡促進排屑機理

在電火花加工中,蝕除顆粒被排出極間能夠有效減弱極間碳粒子在工件表面的積聚,避免產生積碳,蝕除顆粒隨氣泡向外移動是排出加工間隙的主要途徑[15-16]。為驗證硼酸溶液中氣泡對蝕除顆粒排出的影響,通過高速攝像機觀測放電后的氣泡和蝕除顆粒的運動情況,如圖5所示,其中白點標記蝕除顆粒的初始位置,白色方框和紅色圓圈分別標記間隙流場中氣泡和蝕除顆粒不同時刻下的位置。觀測發現氣泡和蝕除顆粒在極間介質中向斜上方運動,且其運動方向一致,在放電爆破力和后續氣泡的推動下,蝕除顆粒被氣泡裹挾著逐漸遠離放電位置,從而促使蝕除顆粒排出極間。

(a)t=436 ms (b)t=704 ms (c)t=873 ms圖5 蝕除顆粒和氣泡的運動情況Fig.5 Movement of particles and bubbles

用COMSOL軟件仿真氣泡對蝕除顆粒運動狀態的影響,通過動網格模擬氣泡和流體邊界,引入粒子追蹤模塊模擬蝕除顆粒的運動狀態。圖6中的圓形位置為氣泡,蝕除顆粒在放電爆破力的作用下有一定初始速度,仿真中將底部粒子設置同樣向上的初速度,不考慮氣泡的影響時,蝕除顆粒在重力和曳力的作用下運動速度逐漸減慢,容易沉積在底部。圖6a為流場速度及粒子運動速度仿真圖,其中上側圖例代表流場的速度,下側圖例代表粒子在流場影響下的運動速度;圖6b為流場壓力與粒子運動速度仿真圖,其中上側圖例代表流場的壓力,下側圖例代表粒子在流場影響下的運動速度。圖6仿真結果表明:氣泡由于本身密度較小更容易在液體中上浮,體積較大的氣泡在移動時會在附近的極間流場產生壓差,從而產生較大流速。與兩側位置的顆粒相比,中間位置的蝕除顆粒更靠近氣泡,在壓力的作用下容易跟隨氣泡同向移動,從而產生更大的排屑速度,因此氣泡對排屑存在促進作用。

(a)流場速度和粒子運動速度仿真

2.4 氣泡產生機理

核電廠堆內零部件加工中,作為中子吸收劑的硼酸水溶液可以直接作為電火花加工的工作介質,硼酸溶液的pH值為6.4,其酸性極弱不能直接解離出H+,可在水分子作用下產生一定的H+和[B(OH)4]-,其反應式如下:

H3BO3+H2OH++[B(OH)4]-

(1)

電極和工件通電時,硼酸在水溶液中電離出的H+和水本身電離出的H+和OH-將發生如下反應:在負極電極表面生成氫氣,在正極工件表面產生氧氣,并在工件正極表面發生微弱的電化學溶解作用去除材料,其反應式為

(2)

電極表面:2H++2e-→H2↑

(3)

相對于去離子水,硼酸在水溶液中提供更多的H+,因此在實驗中可以觀測到紫銅電極表面產生大量細密氣泡。硼酸溶液中電火花加工的原理如圖7所示,電化學反應產生的大量氣泡在加工過程中輔助放電并促進排屑,使硼酸溶液中電火花加工的效率得到提高。

圖7 硼酸溶液中的電火花加工原理圖Fig.7 Principle diagram of EDM in boric acid solution

3 硼酸溶液中電火花加工實驗

3.1 實驗設計

為在硼酸溶液中加工出滿足精度要求的深孔特征,本文運用實驗設計(DOE)探究不同電參數對加工性能的影響規律。選擇峰值電流I、脈寬Ton和脈間Toff作為DOE的3個影響因子,其中,峰值電流和脈寬決定放電加工的單次放電總能量,脈間影響放電的穩定性,每個因子均采用二水平,進行共8組的全析因實驗。為評價硼酸溶液中電火花加工的質量,選擇材料去除率(material removal rate, MRR)RMR、入口直徑d、底面粗糙度Ra和電極相對損耗(TWR)RTW作為DOE的響應因子。表3所示為加工電參數對加工特性影響的實驗結果。

表3 加工電參數對加工特性影響的實驗結果Tab.3 Experimental results of influence of machining electrical parameters on machining characteristics

3.2 電參數對加工質量影響的分析

各電參數對加工特性的影響程度見圖8,效應的Pareto圖代表影響因子及其交互作用在顯著性水平α=0.05時對響應因子的影響程度,超過統計顯著性參考線的影響因子被認為影響效應顯著,影響效應越高則表明該因子越重要。

(a)材料去除率影響Pareto圖

由圖8中的統計結果發現,大部分電參數對加工特性的影響顯著,其中,持續放電時間內,工件材料去除的同時也會消耗電極,并不影響二者損耗的比例,因此脈寬對電極相對損耗的影響較小。電流和脈寬的交互效應對材料去除率有一定影響,其余因子的交互作用對加工特性影響較小。圖9為根據上述影響顯著的電參數在Minitab軟件中分析得到的各電參數對材料去除率、入口直徑、底面粗糙度和電極相對損耗影響的主效應圖。

(a)材料去除率影響效應圖

由圖9a可見,峰值電流增大、脈沖寬度減小和脈沖間隙減小都會導致材料去除率(MRR)增大。這是因為單次放電能量W由脈沖寬度和放電電流決定,可表示為

(4)

其中,u(t)為極間擊穿電壓,i(t)為極間擊穿電流。當其他條件相同時,峰值電流增大和脈沖寬度增大理論上都會導致單次放電能量增加,從而提高MRR。但實驗結果發現:峰值電流增大導致MRR提高,但隨著脈寬的增大,電火花加工的MRR降低。這是因為其他參數相同時,放電能量增加導致蝕除顆粒的直徑也隨之增大,對極間的排屑條件要求更高,雖然理論上能夠產生更好的材料去除效果,但當蝕除顆粒的直徑增大到影響放電狀態且不能及時排出極間時,電極與工件之間容易發生拉弧或短路,使加工速度反而降低[17],這也體現在:工序1和工序5的大電流情況下,大脈寬下工序5的MRR低于小脈寬下工序1的MRR,而在小電流下工序4和工序7中,大脈寬下工序7的MRR高于小脈寬下工序1的MRR,這是因為工序5的電流和脈寬均為高水平,其單次放電能量產生的大直徑蝕除顆粒會對放電產生不利影響,該結果也間接證明圖8a中電流因子(A)和脈寬因子(B)的交互作用(AB)對MRR存在影響。由圖9a還可見,脈沖間隔增大時,大量氣泡逸出極間,減弱了下一放電周期中的氣泡輔助放電作用,進而造成MRR降低。

由圖9b可見,電流、脈寬和脈間的增大會都導致入口直徑d增大。這是因為電加工小孔的直徑通常是電極直徑和兩側放電間隙的總和,單側放電間隙δ可由以下公式確定[18]:

δ=KuU+KrE0.4

(5)

其中,U為放電電壓,Ku為介電強度系數,Kr為受工件物理化學性質影響的系數,E為單脈沖放電能量。增大脈寬和峰值電流導致單脈沖放電能量E增加,由式(5)可知,當其他參數不變時,脈寬和峰值電流的增大導致δ增大進而引起d增大。增大脈間不會造成放電間隙的變化,但會延長整體加工時間,增加入口位置側壁的二次放電次數,進而增大入口直徑。

由圖9c可見,電流、脈寬和脈間均與底面粗糙度成正相關。這是因為在電火花加工中,脈寬和峰值電流決定單次放電脈沖的能量,因此脈寬和峰值電流增大時,單次放電產生蝕坑的深度增大,造成蝕坑累積形成的表面粗糙度增大。脈沖間隔增大時,大量氣泡逸出極間,導致在下一周期的放電過程中,氣泡輔助放電和促進排屑的作用減弱,進而造成放電不穩定,表面精度變差。

在電火花加工過程中,工件和工具電極上的材料都會受熱去除,本文將電極的絕對損耗速度(mm3/min)相對于材料去除率(mm3/min)的損失稱為電極相對損耗(TWR)。分析前文中效應的Pareto圖發現,脈寬因子對TWR的影響效應并不顯著,峰值電流與脈間對TWR的影響顯著,其主效應圖見圖9d,峰值電流增大導致TWR增加,這是因為峰值電流增大致使放電過程更加劇烈,導致極間流場不夠穩定,電極端電蝕加劇,所以TWR增加。當脈間增大時,TWR會有所增加,這是因為在弱電解質溶液中進行正極性加工時,紫銅電極表面會產生氫氣保護電極,當脈間增大時,大量氫氣逸出極間,導致下一脈沖放電時氣體保護電極的作用減弱,導致TWR增加。

在核反應堆的特殊環境下,通常采用一次加工成形,沒有后續的精加工環節,則電火花加工的表面將直接作為工作表面,其表面精度非常重要,因此核反應堆內零部件的加工最關注表面精度,其次是材料去除率,對電極損耗和放電間隙的要求較低。通過DOE綜合各加工特性,運行工序1、7、8的表面精度最好,底面粗糙度為7～8 μm,運行工序1的材料去除率為1.1 mm3/min,遠高于運行工序7、8的材料去除率,因此本文選擇運行工序1的電參數作為最優參數,具體為:峰值電流I=24 A、脈寬Ton=20 μs和脈間Toff=20 μs。

4 硼酸溶液中通孔加工實驗

4.1 通孔精度

針對核電設備中小孔成形加工的需求,在最優參數下使用直徑3 mm的紫銅電極在厚度為3 mm的不銹鋼316板上加工通孔,并沿通孔中心線剖開,測量通孔剖面的孔徑,如圖10a所示,可見通孔的入口孔徑遠大于出口孔徑,其差約為400 μm,側邊傾斜角度θ≈4.4°。電火花加工中的小孔直徑通常是電極直徑與兩側放電間隙之和,實驗發現靠近電極端部位置的電極損耗更大,如圖10b所示,造成電極端部位置加工的出口直徑較小。加工過程中的蝕除顆粒在排出極間時不可避免地與側壁發生二次放電,隨著加工時間的延長,靠近入口的位置發生二次放電的次數增加,增大了電極與工件之間的間隙,因此,通孔的出口位置和入口位置由于電極損耗和二次放電共同作用產生了形狀誤差。硼酸溶液中的電火花加工存在微弱的電化學溶解作用,在小孔形狀上表現為入口位置邊緣存在一定的倒圓,如圖10c所示。

(a)通孔剖面孔徑測量 (b)電極端部 (c)入口倒圓圖10 通孔及加工電極測量圖Fig.10 Measurement diagram of through hole and machining electrode

分別在濃度為2200 mg/L的硼酸溶液、油和水中加工小孔,并沿小孔軸線切開,圖11為加工表面放大1000倍的SEM觀測圖像,圖中上半部分為加工表面,下邊部分為刨切平面。油中加工的表面如圖11b所示,存在大量孔洞和裂紋;水中加工的表面如圖11c所示,存在密集粗糙凹陷;在硼酸溶液中進行電火花加工的表面如圖11a所示,由于電解質溶液中的電化學溶解作用,硼酸溶液中的加工表面比水和油中的加工表面更加平整。

(a)硼酸溶液中的加工表面

4.2 再鑄層分布

在電火花加工過程中,工件材料通過高溫熔化脫離表面,但并非所有的熔化材料都能脫離工件,其余部分會再凝固到工件表面形成再鑄層。為探究硼酸溶液中電火花加工的再鑄層情況,分別在火花油、水和濃度為2200 mg/L的硼酸溶液中用最優電參數加工小孔,沿軸線刨開制作金相試樣,再鑄層的金屬會在腐蝕的作用下與基體金屬之間呈現清晰的分界,因此可以通過金相腐蝕觀測硼酸溶液中電火花加工的再鑄層。

圖12a～圖12c分別為在火花油、水和濃度為2200 mg/L的硼酸溶液中加工的再鑄層在光學顯微鏡下放大500倍的觀測圖像,隨機測量5個位置的再鑄層厚度計算平均值,得到油中加工的再鑄層厚度為4.56 μm,水中加工的再鑄層厚度為8.84 μm,硼酸溶液中加工的再鑄層厚度為5.10 μm,油中加工的再鑄層存在微裂紋,水和硼酸溶液中加工的再鑄層無明顯微裂紋。

(a)油中加工

在電火花加工中,影響再鑄層厚度的因素主要分為兩個方面,一個是加工過程中熔化金屬的數量,二是介質排出熔融金屬的能力。前文提到相比于火花油中的加工,硼酸溶液中的材料去除率更高,則單位時間內熔化的金屬更多,導致相比于火花油中,硼酸溶液中加工的再鑄層厚度更大。硼酸與水的物理性質相似,但相比于水中,硼酸溶液中加工的再鑄層厚度更小,這是因為硼酸溶液的電導率比水的電導率高,根據2.1節的分析,硼酸溶液的單次放電能量比水中單次放電能量小,即硼酸溶液中電火花單次放電熔化的金屬更少,其次在硼酸溶液中加工時的大量氣泡有促進排屑作用,可減少熔融金屬再凝固形成再鑄層[19-20]。

再鑄層中的微裂紋是由金屬材料受熱冷卻產生的內部應力引起的,并與材料的脆性有關,為探究硼酸溶液與火花油中加工的再鑄層裂紋的區別,對再鑄層和基體進行EDS元素能譜分析。圖13所示為能譜分析的位置,其中,譜圖1所在位置是再鑄層,譜圖3所在位置是基體。

圖13 EDS分析位置示意圖Fig.13 Analysis location diagram of EDS

圖14a和圖14b所示分別為再鑄層和基體通過EDS能譜分析得到的各種元素的原子分數,可以看出,基體中不存在的Cu元素在再鑄層中含量上升到0.2%、B元素在再鑄層中含量上升至45.2%,表明放電位置產生的熔融區可以使紫銅電極和硼酸溶液電介質中的元素滲入到工件材料表面[21]。由圖14可以看出,硼酸溶液中加工的再鑄層中O元素的含量比基體中O元素含量提高0.4%,驗證了硼酸溶液中電火花加工的表面存在氧化反應[22]。與基體相比,再鑄層中 C元素的含量更少,這是因為水基溶液可以使再鑄層脫碳,以降低表面再鑄層的脆性,使得工件表面不容易生成裂紋[23]。而火花油會在高溫下發生分解,由于放電區溫度接近5000 ℃,油中的C元素會在金屬熔融過程中溶解到再鑄層中,以提高表面材料脆性,因此表面會產生大量微裂紋[18]。

(a)再鑄層EDS譜圖

5 結論

針對核電廠堆內零部件在線維修的問題,對硼酸溶液中電火花加工機理進行研究,并開展紫銅電極加工316不銹鋼零件的實驗,得到以下結論:

(1)硼酸溶液作為工作介質進行電火花加工時,放電過程劇烈且產生大量氣泡,氣泡輔助放電和促進排屑機理可以提高硼酸溶液中的電火花材料去除率。

(2)通過改變峰值電流、脈寬和脈間探究硼酸溶液中放電參數對材料去除率、通孔的入口直徑、表面質量以及電極損耗的影響規律,并得到峰值電流I=24 A、脈寬Ton=20 μs和脈間Toff=20 μs是核電廠堆內電火花加工的最優電參數。

(3)硼酸溶液中電火花加工的通孔存在形狀精度誤差,加工表面質量較好,其再鑄層厚度比水中加工的再鑄層厚度更小,且由于硼酸水溶液的脫碳作用,其加工表面無明顯裂紋。

(4)研究結果證明,硼酸溶液適合作為電火花加工的工作介質來實現輻射環境下的電火花加工。