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(yáng)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(chǎng)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?cè)缇捅粦?yīng)用于照明、 電焊、 冶煉等各個(gè)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(chǎng)。 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(chǎng)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(shí)，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(jiǎn)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(yáng)極間氣體放電形成的電弧受到外界氣流、 器壁或者外磁場(chǎng)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?。ㄒ卜Q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(gè)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)?。┰陔娀〉入x子體的噴槍設(shè)備中常裝有陽(yáng)極噴咀， 特別是當(dāng)噴咀直徑較小， 氣流黛小時(shí)， 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(shí)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(duì)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?。ㄒ卜Q碰穩(wěn)弧)弧柱在外加磁場(chǎng)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(dòng)，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(duì)運(yùn)動(dòng)，等于受到了氣流冷卻，因此磁旋就對(duì)電弧起壓縮作用。電弧旋轉(zhuǎn)愈快，對(duì)電弧的冷卻愈厲害，對(duì)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)?。┧邢蜻M(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(jiǎn)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(shí)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(duì)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(duì)陽(yáng)極工件的傳熱率高。