電弧等離子體的分類及其特點(diǎn)

電弧等離子體是氣體放電形成的，分為自由弧與壓縮弧。

1.自由弧

定義：當(dāng)陰極和陽極間的氣體放電不受外界附加因素的約束和影響（如器壁、 氣流、 磁場等） 而形成的電弧稱自由電弧， 也稱普通電弧。 開關(guān)電弧、 焊弧、 電爐電弧都是屬于自由電弧，它們早就被應(yīng)用于照明、 電焊、 冶煉等各個方面。

自由電弧的原理：自由電弧的原理如圖所示。 在兩電極上加上直流電壓后， 在電極間就存在著電場。 經(jīng)過點(diǎn)火（接觸點(diǎn)火或高頻點(diǎn)火）后， 電極間隙中的自由電子在電場中被加速， 以很高的速度撞擊中性的分子和原子， 從而使氣體電離以產(chǎn)生更多的自由電子， 再去電離更多的中性粒子， 這就產(chǎn)生了通常所說的電子雪崩現(xiàn)象。 與此同時，飛向陰極的正離子撞擊陰極，使陰極加熱，不斷發(fā)射出電子流，從而使電極間隙中形成了電流通路， 產(chǎn)生光和熱。 這種在氣體中自由燃燒的電弧就稱之謂自由弧。

自由弧的特點(diǎn)：

（1)設(shè)備簡單使用方便；

（2)弧柱粗， 熱量分散， 溫度較低，5000°K~8000° K, 如用來切割金屬， 還存在吹力差的弱點(diǎn)；

 (3) 弧穩(wěn)定性差， 影響工藝質(zhì)量；

 (4)弧電壓低。

2.壓縮電弧

當(dāng)陰極和陽極間氣體放電形成的電弧受到外界氣流、 器壁或者外磁場的壓縮， 使弧柱變細(xì)、弧溫更高， 能量高度集中的弧稱壓縮電弧。一般常稱的電弧等離子體指的就是壓縮電弧。根據(jù)外界壓縮的條件不同， 壓縮電弧可分成下面四種：

(1)氣壓縮弧（也稱氣穩(wěn)弧）從陰極周圍引入外界冷氣流（見圖3一l)，它必然使電弧 周圍和電弧本身受到冷卻， 在電弧和壁面之間形成一層低溫絕緣的冷氣膜， 其中不能通過電流， 等離子電弧只能被迫通過中心一個很窄小的通道一這就意味著電流受到冷氣流的壓縮， 弧柱直徑變小了。 電弧受冷卻而被壓縮的現(xiàn)象通常稱之謂熱力壓縮現(xiàn)象（或效應(yīng)）。

(2)壁壓縮弧（也稱壁穩(wěn)弧）在電弧等離子體的噴槍設(shè)備中常裝有陽極噴咀， 特別是當(dāng)噴咀直徑較小， 氣流黛小時， 壁壓縮起主要作用。 因噴咀是強(qiáng)烈水冷的， 因此壁面附近的 氣體必然同時受到冷卻而形成冷氣膜， 從而迫使等離子弧向中心壓縮， 使電弧截面變細(xì)。 圖所示為作電弧加熱器用的壁壓縮弧。通過容器鑒面或噴咀對電弧進(jìn)行壓縮，通常稱之稱機(jī)械壓縮。實(shí)際上壁壓縮或機(jī)械壓縮，本質(zhì)上仍然是通過冷卻電弧即通過熱力壓縮來實(shí)現(xiàn)的。

(3)磁壓縮弧（也稱碰穩(wěn)弧)弧柱在外加磁場的作用下（常指非轉(zhuǎn)移弧的情況），由于電磁力作用將產(chǎn)生圍繞噴槍軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，電弧受力方向由左手定則來確定。電弧的旋轉(zhuǎn)意味著與周圍氣體產(chǎn)生了相對運(yùn)動，等于受到了氣流冷卻，因此磁旋就對電弧起壓縮作用。電弧旋轉(zhuǎn)愈快，對電弧的冷卻愈厲害，對電弧的壓縮也就愈強(qiáng)烈。這里也可看到磁壓縮歸根到底也是通過熱力壓縮而實(shí)現(xiàn)的。

(4)水壓縮弧（也稱水穩(wěn)弧）水切向進(jìn)入水穩(wěn)室在室內(nèi)旋轉(zhuǎn)，中間形成渦旋。電弧被迫只能從水渦旋中心通過（見圖），水渦旋表面受電弧加熱而蒸發(fā)，而電弧本身則受到水渦旋的冷卻而被壓縮。

上面簡述了四種壓縮弧的類型，實(shí)際上工業(yè)應(yīng)用中的等離子發(fā)生器中各種壓縮方式常常是同時存在的， 在不同的條件下， 各種壓縮方式起作用的程度不同而已。

壓縮弧就其電弧的組成、電極和弧柱過程來說與自由弧沒有本質(zhì)的差別，但由于電弧受強(qiáng)烈壓縮后，將賦于壓縮弧一系列新的特點(diǎn)，正由于此，使壓縮弧即等離子電弧在各工業(yè)部門中獲得了比自由電弧廣泛得多的技術(shù)應(yīng)用。

壓縮弧的特點(diǎn)為，

1. 溫度高、能量高度集中。 由于壓縮弧的電流密度比自由弧高得多， 以致造成高溫和能量集中。氧乙炔焰中心溫度只3000°K左右， 電焊電弧中心溫度5000~ 6000° K, 即使高強(qiáng)度碳弧中心溫度也只1oooo°K~2oooo°K，而壓縮弧的中心溫度zui高可達(dá)30000~50000°K, 另外壓縮弧弧柱截面細(xì)后， 能量就能高度集中。

2.氣氛、剛度、參數(shù)、可控性好。根據(jù)不同工藝的需要，只要變換工作氣種類，就可以得到氧化、中性或還原性的氣氛。不同工藝要求弧的“剛度”不同的電弧，我們可以改變噴咀尺寸，調(diào)節(jié)電參數(shù)、氣流量等得到不同剛性的電弧。由于壓縮弧的可調(diào)參數(shù)很多，因此可以在很廣的弧參數(shù)范圍內(nèi)穩(wěn)定工作以滿足名種等離子工藝的要求，這是自由弧所不能做到的的

3.穩(wěn)定性好。壓縮弧要比自由電弧穩(wěn)定得多。因?yàn)殡娀∈軌嚎s后溫度增加，溫度梯度大，再加上強(qiáng)烈的磁抽吸現(xiàn)象，電弧中氣流具有很高的速度，所以電弧的位置、形狀、和弧參數(shù)都比較穩(wěn)定而不易受外界因素的千擾，這對于提高各種等離子加工工藝的質(zhì)量有著重要意義。

4.壓縮弧的弧電壓高。由于電弧受壓縮后，弧壓增高，這就為大幅度提高等離子發(fā)生器的弧功率提供了可能性，從而擴(kuò)大了等離子工藝在工業(yè)中的應(yīng)用范圍。

 5.壓縮弧對陽極工件的傳熱率高。