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1、现代电弧研究现状第一部分 电弧的产生原因 特性（1）产生原因当断路器开断电路时，只要电路中电压大于102OV。电流大于 80100mA。动、静触头间就会出现电弧。此时触头虽已分开，但是电流通过触头间的电弧继续流通，一直到触头分开到足够的距离，电弧熄灭后，电路才开断因此，电弧是高压断路器开断过程中产生的现象。开关触头分离时，触头间距离很小，电场强度E很高(E = U/d)。当电场强度超过310-6-V/m时，阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。这种游离方式称为：强电场发射。从阴极表面发射出来的自由电子和触头间原有的少数电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，途中不断地和中性质
2、点相碰撞。只要电子的运动速度v足够高，电子的动能A = mv2足够大，就可能从中性质子中打出电子，形成自由电子和正离子。这种现象称为碰撞游离。新形成的自由电子也向阳极作加速运动，同样地会与中性质点碰撞而发生游离。碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了电子和正离子，具有很大的电导；在外加电压下，介质被击穿而产生电弧，电路再次被导通。当高压断路器开断高压有载电路时之所以产生电弧，原因在于触头本身及其周围的介质中含有大量可被游离的电子。当分断的触头间存在足够大的外施电压条件下，电路电流也达到最小生弧电流时，会因强烈的游离而产生电弧。电弧的形成是触头间中性质子(分子和原子)被游离的过程。这种有强烈的声、
3、光和热效尖的弧光放电，就是电弧的形成过程。所以，电弧实质上就是一种能导电的电子、离子流，其中还包括燃烧着的铜分子流。（2） 电弧的特性：电孤是一种气体放电现象，电弧放电现象的主要特性如下。1.电孤是种能量集中、温度高、亮度大的气体放电现象。如前所述，10kV少油断路器开断20KA时，电弧功率高达一万千瓦已上。这样大的能量在很短的时间内几乎全部变成热能，造成电弧及其附近区域强烈物理、化学变化。2.电弧由三部分组成：阴极区、阳级区和弧柱区。在电弧的阴极和阳极区，温度常超过金属气化点，弧柱是在阳极、阴极之间明亮的光柱，弧柱中心温度可高达七干度，弧柱的直径很小，一般只有几毫米到几个厘米。在弧柱周围温度
4、较低，亮度明显减弱的部分称为孤焰，电流几乎都在弧柱内流通。3.电弧是一种自持放电现象。只要很低的电压就能维持电弧稳定燃烧而不熄灭。如大气中一厘米的直流电狐的维持电压只有15-30V，在变压器油中也不过100-2OOV。4.电弧是一束游离的气体，质量极轻，容易变形。在外力作用下。如气体、液体的流动作用，以及在电动力的作用下，电弧能迅速移动、伸长及卷曲，对敞露在大气中的电弧尤其明显。5.电弧是高温高导电率的游离气体。触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙。电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。同时在高温的作用下(电弧中心部分维持的温度可达10000以上)，气体中性
5、质点的不规则热运动速度增加。当具有足够动能的中性质点相互碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。随着触头分开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐减小，这时电弧的燃烧主要是依靠热游离维持的。我们借助一定的仪器仔细观察电弧，可以发现，除两个极（触头）外，明显的分为3个区域，即近阴极区、近阳极区及弧柱区。1、 弧柱区弧柱区呈电中性，它是由分子、原子、受激的原子、正离子、负离子及电子所组成，其中带正电荷的离子与带负电荷的离子几乎相等，所以又称为等离子体。带电的粒子在等离子体定向移动，基本上不消耗能量，所以才能够在低电压条件下，传输大电流。传输电流的主要带电粒子是电子，大约占带电粒子总数的
6、99.9%，其余为正离子。因为阴极区和阳极区的长度极短，所以可以认为弧柱区长度为电弧长度。弧柱区的电场强度较低，通常只有510V/cm。2、阴极区阴极被认为是电子之源。它向弧柱提供99.9%的带电粒子（电子）。阴极发射电子的能力，对电弧稳定性影响极大。阴极区的长度为10-510-6cm，如果阴极压降为10V，则阴极区的电场强度为106107V/cm。3、阳极区阳极区主要是接受电子，但还应向弧柱提供0.1%的带电粒子（正离子）。通常阳极区的长度为10-210-3cm，则阳极区的电场强度为103104V/cm。由于阳极材料和焊接电流对阳极区压降影响很大，它可以在010V之间变化。例如当电流密度较大
7、，阳极温度很高，使阳极材料发生蒸发时，阳极压降将降低，甚至到0V。第二部分 现代电弧研究成果及应用一 等离子电弧（1） 等离子电弧的定义等离子弧是一种被压缩的钨极氩弧，具有很高的能量密度、温度及电弧力。等离子弧是通过三种压缩作用获得的： a: 机械压缩水冷铜喷嘴孔径限制弧柱截面积的自由扩大，这种拘束作用就是机械压缩； b:热压缩 喷嘴中的冷却水使喷嘴内壁附近形成一层冷气膜，进一步减小了弧柱的有效导电面积，从而进一步提高了电弧弧柱的能量密度及温度，这种依靠水冷使弧柱温度及能量密度进一步提高的作用就是热压缩；c:电磁压缩 由于以上两种压缩效应，使得电弧电流密度增大，电弧电流自身磁场产生的电磁收缩力
8、增大，使电弧受到进一步的压缩，这就是电磁压缩。 (2)等离子弧的类型 a:非转移型电弧 非转移型电弧燃烧在钨极与喷嘴之间，焊接时电源正极接水冷铜喷嘴，负极接钨极，工件不接到焊接回路上；依靠高速喷出的等离子气将电弧带出，这种电弧适用于焊接或切割较薄的金属及非金属。 b:转移型电弧 转移型电弧直接燃烧在钨极与工件之间，焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧，然后将电弧转移到钨极与工件之间；在工作状态下，喷嘴不接到焊接回路中。这种电弧用于焊接较厚的金属。 c:联合型电弧 转移弧及非转移弧同时存在的电弧为联合型电弧。混合型电弧在很小的电流下就能保持稳定，因此特别适合于薄板及超薄板的焊接。 联合非转移 转
9、移 （3）等离子弧焊的特点及应用 由于等离子电弧具有较高的能量密度、温度及刚直性，因此与一般电弧焊相 比，等离子电弧具有下列优点： a： 熔透能力强，在不开坡口、不加填充焊丝的情况下可一次焊透810mm厚的不锈钢板； b: 焊缝质量对弧长的变化不敏感，这是由于电弧的形态接近圆柱形，且挺直度好，弧长变化对加热斑点面积的影响很小，易获得均匀的焊缝形状； c: 钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不会与工件接触，因此可避免焊缝金属产生夹钨现象； d: 等离子电弧的电离度较高，电流较小时仍很稳定，可焊接微型精密零件； e: 可产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，正面施焊时可获得良好的单面焊双面成形。(4)等离子弧焊
10、的缺点是：a:可焊厚度有限，一般在25mm以下；b: 焊枪及控制线路较复杂，喷嘴的使用寿命很低；c: 焊接参数较多，对焊接操作人员的技术水平要求较高(4)等离子电弧的应用可用钨极氩弧焊焊接的金属，比如不锈钢、铝及铝合金、钛及钛合金、镍、铜、蒙耐尔合金等，均可用等离子弧焊焊接。这种焊接方法可用于航天、航空、核能、电子、造船及其它工业部门中。等离子弧生器 等离子弧MIG焊-水冷铜嘴结构 等离子弧MIG-焊钨棒结构 1-焊丝；2-导电嘴；3-离子气4-铜嘴；5-保护气体；6-保护罩； 7-等离子弧；8-过渡金属；9-钨棒层流电弧等离子体技术及其在材料热加工中的应用在现代热加工领域中，焊接、切割、热喷
11、涂、表面热处理等加工应用广泛。随着科学技术的不断发展，传统的加工工艺已难以满足新型材料及特殊结构的加工要求。究其原因，是因为传统的加工热源本身存在局限性，无法满足新材料的加工要求。常用的传统热源如炔氧焰、氢氧焰应用简便，成本低，但其最高温度只有3000左右，难以加工高熔点金属、耐高温陶瓷材料；利用电弧放电产生的热源多用于焊接领域，技术成熟，但对于特种焊接及陶瓷、复合材料的焊接却难以实现。最近几十年内，高能束热源研究快速发展，以激光、电子束、热等离子体的研究应用最为广泛，这三种热流都具有很高的能量密度，加工温度高，升温快。其中，激光的加工精度高，但激光器成本高，一次性投资大，功率也较小，目前工业
12、用半导体泵浦激光器最大功率为10kW左右，加上能量转化效率低（20%左右），极大限制了其在工业上的推广运用1；电子束利用加速状态的电子轰击工件产生热能，属于精密微细加工方法，但加工条件复杂，需要一整套专用设备和真空系统，价格昂贵，且电子束轰击材料产生的X射线会损害人体细胞2，安全问题不容忽视。热等离子体技术利用电能将普通气体电离以产生等离子体，使等离子体携带能量并传输给工件，和激光及电子束相比，具有加工应用简单，设备成本低，安全性高等优点。表1对比了常用热源的最高温度及能量密度。 表1 各种热源温度及能量密度比较 热源 最高温度/K 平均最低能量密度/W cm-2 最高能量密度/W cm-2氧
13、-乙炔焰 3370 10-2 103104 电弧 8000 10-3 104105 激光 108 10-3 105107 电子束 10000 10-7 109 等离子 30000 10-3 104106 目前，热等离子技术的应用领域得到了较大的扩展，在传统的应用领域，热等离子技术已趋向成熟，并有所发展，于此同时又扩展了许多新的应用领域3，如煤的气化，有害废弃物焚烧等。当前针对热等离子体应用的研究内容主要有：等离子体参数的控制、等离子发生设备的改进和热转化效率4。根据等离子体射流的状态，可将热等离子体分为湍流等离子体（图1-a）和层流等离子体（图1-b,c），由于前者更易产生和维持，目前的研究应
14、用比较广泛。层流等离子体与湍流等离子体射流相比，流动更稳定、高温区更长、轴向温度梯度小、噪声低、对环境气体的卷吸量少、射流参数可以通过改变发生器的工作气体流量或弧电流（电压）方便地加以调节，这为提高材料加工过程的重复性与加工质量、改善操作人员的工作环境创造了条件，但由于产生和维持层流等离子体比较困难，对其研究应用相对较少。在国内，中国科学院力学研究所开发了层流氩气等离子体，射流较长，工作稳定（图1-b）。成都阳流科技发展有限公司，联合四川大学智能控制研究所及四川大学制造科学与工程学院，研发出新型层流电弧等离子体发生器，工作状态非常稳定，产生的氮气层流等离子体射。流可长达100cm。（图1-C）
15、 图1等离子体射流1 层流等离子体 实际中的流体流动一般都是湍流（紊流）状态，而没有绝对层流状态的流体。理想层流状态下的流体在受到外界干扰时，流体粘滞性产生的切应力会因失去平衡而激发涡流的产生。在电弧电离工作气体产生等离子体时，为了尽可能获得趋于层流状态的射流，发生器的结构、工作电源、工作气流的稳定性是关键。基于对等离子体产生原理的充分认识和理解，成都阳流科技发展有限公司联合四川大学智能控制研究所、四川大学制造科学与工程学院，设计了新的等离子发生器，并采用更加稳定的工作电源系统和气路系统，研发出1kw、5kW、10kW、20kW、60kW、120kW等不同功率的层流电弧等离子体设备。可采用氮气、氩气、氦气及混合气作为工作气体，产生的等离子体射流状态稳定，出口温度高
