电弧等离子体的分类及其特点

1.自由弧

定义：当阴极和阳极间的气体放电不受外界附加因素的约束和影响（如器壁、 气流、 磁场等） 而形成的电弧称自由电弧， 也称普通电弧。 开关电弧、 焊弧、 电炉电弧都是属于自由电弧，它们早就被应用于照明、 电焊、 冶炼等各个方面。

自由电弧的原理：自由电弧的原理如图所示。 在两电极上加上直流电压后， 在电极间就存在着电场。 经过点火（接触点火或高频点火）后， 电极间隙中的自由电子在电场中被加速， 以很高的速度撞击中性的分子和原子， 从而使气体电离以产生更多的自由电子， 再去电离更多的中性粒子， 这就产生了通常所说的电子雪崩现象。 与此同时，飞向阴极的正离子撞击阴极，使阴极加热，不断发射出电子流，从而使电极间隙中形成了电流通路， 产生光和热。 这种在气体中自由燃烧的电弧就称之谓自由弧。

自由弧的特点：

（1)设备简单使用方便；

（2)弧柱粗， 热量分散， 温度较低，5000°K~8000° K, 如用来切割金属， 还存在吹力差的弱点；

 (3) 弧稳定性差， 影响工艺质量；

 (4)弧电压低。

2.压缩电弧

当阴极和阳极间气体放电形成的电弧受到外界气流、 器壁或者外磁场的压缩， 使弧柱变细、弧温更高， 能量高度集中的弧称压缩电弧。一般常称的电弧等离子体指的就是压缩电弧。根据外界压缩的条件不同， 压缩电弧可分成下面四种：

(1)气压缩弧（也称气稳弧）从阴极周围引入外界冷气流（见图3一l)，它必然使电弧 周围和电弧本身受到冷却， 在电弧和壁面之间形成一层低温绝缘的冷气膜， 其中不能通过电流， 等离子电弧只能被迫通过中心一个很窄小的通道一这就意味着电流受到冷气流的压缩， 弧柱直径变小了。 电弧受冷却而被压缩的现象通常称之谓热力压缩现象（或效应）。

(2)壁压缩弧（也称壁稳弧）在电弧等离子体的喷枪设备中常装有阳极喷咀， 特别是当喷咀直径较小， 气流黛小时， 壁压缩起主要作用。 因喷咀是强烈水冷的， 因此壁面附近的 气体必然同时受到冷却而形成冷气膜， 从而迫使等离子弧向中心压缩， 使电弧截面变细。 图所示为作电弧加热器用的壁压缩弧。通过容器鉴面或喷咀对电弧进行压缩，通常称之称机械压缩。实际上壁压缩或机械压缩，本质上仍然是通过冷却电弧即通过热力压缩来实现的。

(3)磁压缩弧（也称碰稳弧)弧柱在外加磁场的作用下（常指非转移弧的情况），由于电磁力作用将产生围绕喷枪轴线的旋转运动，电弧受力方向由左手定则来确定。电弧的旋转意味着与周围气体产生了相对运动，等于受到了气流冷却，因此磁旋就对电弧起压缩作用。电弧旋转愈快，对电弧的冷却愈厉害，对电弧的压缩也就愈强烈。这里也可看到磁压缩归根到底也是通过热力压缩而实现的。

(4)水压缩弧（也称水稳弧）水切向进入水稳室在室内旋转，中间形成涡旋。电弧被迫只能从水涡旋中心通过（见图），水涡旋表面受电弧加热而蒸发，而电弧本身则受到水涡旋的冷却而被压缩。

上面简述了四种压缩弧的类型，实际上工业应用中的等离子发生器中各种压缩方式常常是同时存在的， 在不同的条件下， 各种压缩方式起作用的程度不同而已。

压缩弧就其电弧的组成、电极和弧柱过程来说与自由弧没有本质的差别，但由于电弧受强烈压缩后，将赋于压缩弧一系列新的特点，正由于此，使压缩弧即等离子电弧在各工业部门中获得了比自由电弧广泛得多的技术应用。

压缩弧的特点为，

1. 温度高、能量高度集中。 由于压缩弧的电流密度比自由弧高得多， 以致造成高温和能量集中。氧乙炔焰中心温度只3000°K左右， 电焊电弧中心温度5000~ 6000° K, 即使高强度碳弧中心温度也只1oooo°K~2oooo°K，而压缩弧的中心温度zui高可达30000~50000°K, 另外压缩弧弧柱截面细后， 能量就能高度集中。

2.气氛、刚度、参数、可控性好。根据不同工艺的需要，只要变换工作气种类，就可以得到氧化、中性或还原性的气氛。不同工艺要求弧的“刚度”不同的电弧，我们可以改变喷咀尺寸，调节电参数、气流量等得到不同刚性的电弧。由于压缩弧的可调参数很多，因此可以在很广的弧参数范围内稳定工作以满足名种等离子工艺的要求，这是自由弧所不能做到的的

3.稳定性好。压缩弧要比自由电弧稳定得多。因为电弧受压缩后温度增加，温度梯度大，再加上强烈的磁抽吸现象，电弧中气流具有很高的速度，所以电弧的位置、形状、和弧参数都比较稳定而不易受外界因素的千扰，这对于提高各种等离子加工工艺的质量有着重要意义。

4.压缩弧的弧电压高。由于电弧受压缩后，弧压增高，这就为大幅度提高等离子发生器的弧功率提供了可能性，从而扩大了等离子工艺在工业中的应用范围。

 5.压缩弧对阳极工件的传热率高。