从物理上讲，等离子弧与普通自由燃烧电弧的本质相同，弧柱均由等离子体组成。等离子弧具有以下特点。等离子弧温度可高达24000～50000K，能量密度可达105～106W/cm2。而在等离子弧中，情况则有变化，弧柱的高速等离子体通过接触传导和辐射带给工件的热量明显增加，甚至可能成为主要的热量来源，而阳极热则降为次要地位。......
2023-06-26
等离子弧的形成机制及应用
【摘要】：若使气体充分电离，形成由数量相等的带正电的正离子和带负电的电子所组成的电离气体，就称为等离子体。等离子体是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，常被视为物质的第四态，也被称为等离子态，或者“超气态”，也称为“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。
电弧是中性气体电离并维持放电的现象。若使气体充分电离，形成由数量相等的带正电的正离子和带负电的电子所组成的电离气体，就称为等离子体（Plasma）。等离子体是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，常被视为物质的第四态，也被称为等离子态，或者“超气态”，也称为“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯首次将“等离子体”一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。一般的焊接电弧是一种自由电弧，弧柱的截面随功率的增加而增大，电弧中的气体电离不充分。若在提高电弧功率的同时，对自由电弧进行压缩，使其横截面减小，则电弧中的电流密度就大大提高，电离度也随之增大，这种用外部拘束作用使弧柱受到压缩的电弧就是等离子弧。对自由电弧进行的压缩作用称为压缩效应。压缩效应有如下三种形式。
（1）机械压缩效应 也称为“壁压缩”效应。当弧柱电流增大时，一般电弧的横断面也会随之增大，使其能量密度和温度难以进一步提高。如果在负极和正极之间加上一个高电压，使气体电离形成电弧，当弧柱区通过特殊孔形喷嘴的同时，又施以一定压力的气体，强迫弧柱通过细孔，由于弧柱受到孔道尺寸的限制，将无法任意扩展，通过喷嘴孔道的弧柱的横截面面积缩小，能量密度得到提高，这种利用机械压缩方式来限制弧柱直径，提高能量密度的效应就称为机械压缩效应。
（2）热收缩效应 可以采用气流或者水流对电弧进行压缩。当电弧通过喷嘴的时候，在电弧的外围不断送入高速冷却气流，这些高速气流一般采用导电性和导热性均较差的中性气体（氮气或氢气等），使弧柱区外围受到强烈冷却，电离度大大降低，迫使带电粒子进一步向电离度较高的弧柱中心通过，导致导电截面进一步缩小，使得电弧的电流密度大大增加，从喷嘴中流过的等离子体具有更大的径向温度梯度，电弧得到压缩。利用气流对电弧进行压缩的热收缩效应会受到气体种类和压力的影响。当然，也可以直接采用水流对电弧进行压缩，热收缩的效应更为明显，可以得到更高温度和能流密度的等离子弧。目前，利用大功率水稳电弧，可以得到温度高达50000K的高能流密度的电弧。这种利用气流或者水流的冷却作用使电弧得到压缩的效应就是热收缩效应。
（3）磁收缩效应 这种收缩效应来自于弧柱自身的磁场。由于电流方向相同，在电流自身产生的电磁力作用下，彼此互相吸引，将产生一个从弧柱四周向中心压缩的力，使得弧柱直径进一步缩小。这种因导体自身磁场作用产生的压缩作用叫做磁收缩效应。电弧电流越大，磁收缩效应越强。这种效应也称为“自磁压缩”效应。
自由电弧在上述三种效应作用下被压缩得很细，在高度电离和高温条件下，电弧逐渐趋于稳定的等离子弧。在上述三种效应中，喷嘴的机械压缩是前提条件，而热收缩则是最本质的原因。
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2023-06-26
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2023-06-26
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2023-06-23
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