文献综述安倩焊接1101班解析.docx
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文献综述安倩焊接1101班解析
本科毕业设计（论文）文献综述
题目：
TIG电弧载流区的低扰动静电探针差动分析
学生姓名：
安倩
院（系）：
材料科学与工程学院
专业班级：
焊接技术与工程1101
指导教师：
李渊博
完成时间：
2015年3月20日
1研究背景及意义
1.1TIG焊及其电弧
钨极氩弧焊是以钨材料或钨的合金材料做电极，在情性气体保护下进行的焊接，又称为TIG（TungstenInertGas）焊或GTA焊接（GasTungstenWelding）。
钨的熔点约为3380℃，是熔点最高的一种金属，与其它金属相比．具有难熔化、可长时间处于高温的性质。
TIG焊正是利用了这一性质，在圆棒状的钨极和母材间产生电弧进行焊接。
氩气是惰性气体的一种。
惰性气体也称作非活性气体，具有不与其它物质产生化学反应的性质，泛指氦、氩、氖等气体。
TIG焊中利用这一性质，以惰性气完全覆盖电弧和熔化金属，使电弧不受周围空气的影响及保护熔化金属不与空气中的氧、氮等发生反应。
TIG焊原理如图1.1所示。
钨电极被夹持在电极夹上，从TIG焊焊枪喷嘴中伸出一定长度，在钨电极端部与被焊件母材间产生电弧对母材（焊缝）进行焊接，在钨电极的周围通过喷嘴送进保护气，保护钨电极、电弧及熔池，使其免受大气的侵害。
图1.1钨极氩弧焊弧焊原理[1]
在需要填充金属到熔池中时，如图1.1中所示，是从电弧的前面把填充金属（填充焊丝）以手动或自动方式按一定的速度向熔池中送进。
TlG焊的优点是能够实现高品质焊接，得到优良焊缝。
这是由于保护气对电弧及熔池的可靠保护完全排除了氧、氮、氢等气体对焊接金属的侵害；钨电极与母材间产生的电弧在惰性气氛中极为稳定，焊缝很美观、很平滑。
焊接电流在10~500A范围内，电弧都很稳定，电弧电压仅有8~15V。
对热输入量的调节很容易，可以进行薄板及各种姿态下的焊接，以及精密焊接等。
由于电弧稳定、熔池可见性好，焊接操作也容易进行。
TIG焊的缺点是焊接效率低于其他方法，氩气等惰性气体的价格稍稍高一些。
由于钨电极承载电流能力有限，电弧功率受到制约，致使焊缝熔深浅，焊接速度低。
然而就目前的焊接状况看，许多产品对焊接品质的要求高于对焊接效率的要求，比如精密焊接和非铁金属的焊接等。
钨极氩弧焊可以焊接各种工业结构金属，应用在各种工业行业中。
以目前最为普遍的应用对象衡量，TIG焊是所有焊接方法中应用面最广的，比如各种钢材料的焊接、各种有色金属的焊接、各种合金的焊接以及金属基复合材料的焊接。
其中对有色金属及其合金（铝、镁等）、不锈钢、高温合金、钛及钛合金、难熔的活性金属等的焊接最具优势。
既可以焊接厚件，也可以焊接薄件。
既可以对平焊位置焊缝进行焊接，也适合于对各种空间焊缝进行焊接，比如仰焊、横焊、立焊、角焊缝、全位置焊缝、空间曲面焊缝等[1]。
TIG焊在日常生活中具有广泛的用处，正是对于这种应用的广泛性，TIG焊在工业加工领域具有重要的地位。
对于TIG焊而言，其良好的成型和广泛的应用，主要依赖于焊接电弧的作用。
而焊接电弧形态、电弧载流区电流密度分布对电弧起着至关重要的作用。
为了获得更好的焊件，我们对TIG焊电弧的研究显得尤为重要。
在研究TIG焊有关电弧物理特性时，我们必须要首先明确有关焊接电弧的相关内容，这对于本次研究是非常重要的。
我们知道，电弧是一种气体放电现象，它能把电能有效而简便地转化为热能、机械能和光能。
具体而言，其是由焊接电源供给的，具有一定电压的，在两电极间或电极与母材间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。
总的而言，焊接电弧的基本特点为：
1）维持电弧稳定燃烧的电弧电压很低，只有10至50V。
2）在电弧中能通过很大电流，可从几安至几千安。
3）电弧具有很高的温度，弧柱温度是不均匀的，中心温度最高，可达到5000～30000K，而远离中心则温度降低。
4）电弧能发出很强的光。
电弧的光辐射波长为（1.7～50）×10-7m。
它包括红外线，可见光和紫外线3个部分。
电弧是由3部分组成，即弧柱区、阴极区和阳极区，如图1.2所示。
图1.2电弧的组成及其电压分布[2]
两极之间要产生气体放电必须要具备两个条件；一是必须有带电粒子，二是在两极之间必须有一定强度的电场，电弧中的带电粒子指的是电子，正离子和负离子。
赖以引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子是电子和正离子。
这两种带电粒子主要是依靠电弧中气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程产生的。
在电弧引燃和燃烧的过程中，除了存在电离和发射这两个过程外，还伴随着有气体解离、生成负离子和复合等过程。
（1）气体的电离当两电极之间的气体受到外加能量（如外加电场，光辐射，加热等）作用时，气体分子热运动加剧，当能量足够大时，由多原子构成的气体分子就会分解为原子状态，这个过程称为解离。
（2）产生负离子电弧中带电粒子除了电子和正离子外，还有负离子。
负离子是在一定条件下一些中性原子或分子吸附一个电子而形成的。
中性粒子吸附电子形成负离子时，其内部的能量不是增加而是减少，减少的这部分能量称为中性粒子的电子亲和能，通常情况下是以光或者热的形式辐射出来。
元素的电子亲和力越大，越容易形成负离子。
由于大多数元素的电子亲和力都比较小，并且电子因为质量小，在电弧中心部位运动的速度远远大于中性粒子或者正离子，只是中性粒子不易捕捉到电子以形成负离子。
形成负离子的过程又是一个放热的过程，温度越低越有利于负离子的形成和存在，因此负离子大多数在温度相对较低的电弧周边区域，并多次与温度较低的中性粒子碰撞，每一次碰撞都失去一部分动能。
当速度降低到一定值时，就附着于中性粒子形成负离子。
（3）电弧中带电粒子的复合电弧导电过程中不仅有带电粒子的产生过程，而且有带电粒子的消失。
并且电弧稳定燃烧时，这两个过程处于动态平衡。
在电弧中带电粒子离开他们原来的位置，而逃逸到电弧的周围不再参加放电过程，另一种是正的带电粒子与负的带电粒子组合成中性的原子或分子，即发生复合。
（4）电弧的引燃当两电极之间既有足够的电场强度作用，又有足够多的带电粒子时，就会引燃电弧，电弧引燃后温度持续升高，还产生了弧光，各种形式的发射和电子均得到了加强。
正、负粒子分别跑向两极，在这个过程中，带电粒子的的产生和消失交织在一起，经过短暂的调整，带电粒子的产生和消失达到平衡状态，焊接电弧进入稳定燃烧状态[2]。
1.2电弧载流区电流及电流密度
不仅仅是对于TIG电弧，所有电弧焊的电弧都有自己的电弧物理特性。
其中最为重要的有：
电弧载流区形态、电弧载流区电压分布、电弧载流区电流密度分布等。
虽然每一种性质被单独抽象出来作为单独的个体去分析，但是所有的物理形态之间是相互联系且相互影响的。
电弧区域的电压分布如图1.2所示。
上文中已经提到焊接电弧的引燃过程。
在实验中，一者可以通过高速摄影机对焊接电弧进行拍照取样，根据电弧照片所显示出来的电弧形貌确定其形态；二者可以通过低扰动静电探针所测得焊接电弧相关的电学物理参数，来绘制相应的曲线来定量定性的分析焊接电弧载流区的相关特征。
为了实验的进行，我们有必要从各个角度详尽的了解有关电弧物理性质的相关知识。
在焊接过程，电弧带电粒子的运动和状态对电弧的产生有着重要的影响。
单位电荷的定向运动产生了电流，于是在电弧中产生了有关电流密度的概念。
我们已经知道焊接电弧的本质是一种气体的放电现象。
在对焊接电弧的研究过程中，人们最开始研究的是在稀薄气体中的放电。
对于稀薄气体，我们可以将其近似的看作是一个真空。
电弧由一个很高的电压引燃之后，不再需要同样高的电压来维持电弧的燃烧，其所需的维弧电压非常小，但其所产生的电流则非常大。
气体分子电离之后形成无数个电子和正离子，且电子的数量要远大于正离子的数量。
在TIG焊中，采用直流反接来进行焊接，电弧中的正离子在电场力的作用下向工件的方向运动，电子向钨极方向运动。
电弧引燃之后，在电弧区域内的电子可以视为由两个部分组成，即一部分为电源提供的电子，另一部分为气体电离所产生的电子。
在电弧燃烧过程中，正离子作为空间电荷[3]存在，由于电子的质量m远小于正离子的质量M，电子以相对速度v在电场中运动。
同时，电子受到正离子的吸引，电子向正离子方向加速运动。
在电弧区域内的不同高度方向又存在有正离子，那么电子飞离靠近底板（工件）处的正离子便又受到远离底板（工件）的正离子的吸引，又产生加速运动。
依次类推，电子在相对于正离子很短的时间内便到达钨极。
宏观上来看，电弧中产生电流是由于电子的移动所产生的，故可以称之为电子电流。
其简要的原理图可见图1.3所示。
由于其运动速度非常之快，故在以小电压驱动的电弧之中，有着非常大的电流。
图1.3TIG焊电弧电流形成示意图
在电工学中可知，电流密度是描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量。
它是矢量，其大小等于单位时间内通过某一单位面积的电量，方向向量为单位面积相应截面的法向量，指向由正电荷通过此截面的指向确定，如图1.4所示。
对于电弧而言，可以将其看作一个由无数导线组成的导体，对焊接电弧进行无限的微分，相邻“导线”的沿电流方向的电流密度可以视为是相等的。
但在导线不同点上与电流方向垂直的单位面积上流过的电流不同，为了描写每点的电流情况，有必要引入一个矢量场——电流密度J，即面电流密度。
每点的J的方向定义为该点的正电荷运动方向，J的大小则定义为过该点并与J垂直的单位面积上的电流。
图1.4导体电流密度示意图
而对于电弧的电流密度分布，一般认为，在电弧中心线附近最高，远离中心线的区域电流密度较低。
同时认为其电弧电流集中在电弧的中心线附近。
对于电弧周围表现出的亮色，是由于电弧中气体的电离所发生的辐射所产生的。
我们不妨给电弧作一个比喻，将其比喻为在纵截面为上呈现的一个“扫把”，将扫把的每一个分枝看作为一个导线。
通过上面的文章我们知道，每一个导体中都有电流通过，通过法拉第电磁感应定律可知，在两根相互平行导体中，通过同方向的电流时，导体间产生相互吸引的力，若电流方向相反，则产生排斥力。
这个力的形成是由于一个导体中的电流在另一个导体的周围空间形成磁场，磁场间相互作用，使导体受到电磁力。
因电流方向上的差异，电磁力表现为相互吸引或相互排斥。
当电流在一个导体中流过时，整个电流可看作由许多平行的电流线组成，这些电流线间将产生相互吸引力，使导体截面有收缩的倾向，如图1.5（a）所示。
对于固态导体，此收缩力不能改变导体外形，但对于液态或气态导体，其将产生截面收缩，如图1.5（b）所示，这种现象称作电磁收缩放应，所产生的力称作电磁收缩力或电磁力。
图1.5焊接电弧电磁收缩现象示意图[1]
假设导体为圆柱体，电流线在导体中的分布是均匀的，则导体内部任意半径r处的电磁力数值为：
（1-1）
式中，Pr为导体内任意半径r处的压力；J为导体的总电流；R为导体半径；K为系数。
导体中心轴上（r≈0）的径向压力为：
（1-2）
式中，P0为导体中心铀处的径向压力；j为电流密度。
对于流体，其内部各点处压力各向等值，径向压力等于轴向压力，轴向压力的合力方程为：
（1-3）
式中，F为轴向合力；I为电流值。
实际上焊接电弧不是圆柱体，而是截面直径变化的圆锥状的气态导体，如图1.6所示模型。
因为电极直径限制了导电区的扩展，而在工件上电弧可以扩展的比较宽，所以电极前端电弧截面直径小．接近工件端电弧截面直径大，由式（1-1）可知。
直径不同将引起压力差，从而产生由电极指向工件的推力Fa，其方程为：
（1-4）
式中，Fa为指向工件的推力或电弧静压力；Ra为锥形弧柱上底面半径；Rb为锥形弧柱下底面半径。
图1.6焊接电弧模型
推力Fa亦称作电弧静压力，数值与电弧电流、电弧形态有关，由于电弧中电流密度分布是不均匀的，弧柱中心区电流密度高于周边区域，所以电弧静压力在分布上是中心轴上的压力高于周边的压力[1]。
由于在电弧周边区域的电流密度很小，所以近似忽略其的存在，也就是上文所述的电弧电流集中在电弧中心轴线附近的原因。
对于整体焊接电弧电流密度分布规律来讲，由于焊接电弧并非是规则圆柱体，所以电弧的电流密度分布是不均匀的，对于电弧轴向来说，横截面积小的地方电流密度大，横截面积大的地方电流密度小。
对于某一截面的径向来说，由于电弧中心处的带电粒子多于外围区域，所以电弧中心处的电流密度大，边缘区域的电流密度小。
另外阳极附近的电子流多，所以其电流密度也大于阴极附近的电流密度。
焊接电流密度对焊缝成形有很大的影响[4,5]，在其他条件一定的情况下，随着电弧焊接电流增加，焊缝的熔深和余高均增加，熔宽略有增加。
其原因如下：
（a）随着电弧焊焊接电流增加，作用在焊件上的电弧力增加，电弧对焊件的热输入增加，热源位置下移，有利于热量向熔池深度方向传导，使熔深增大。
熔深与焊接电流近似成正比关系，即焊缝熔深H约等于Km×I。
式中Km为熔深系数。
（b）电弧焊的焊芯或焊丝的熔化速度与焊接电流成正比。
由于电弧的焊接电流增加导致焊丝熔化速度增加，焊丝熔化量近似成正比的增多，而熔宽增加较少，所以焊缝余高增大。
（c）焊接电流增大后，弧柱直径增大，但是电弧潜入工件的深度增大，电弧斑点移动范围受到限制，因而熔宽的增加量较小。
气体保护熔化极氩弧焊时，焊接电流增加，焊缝熔深增加。
若焊接电流过大、电流密度过高时，容易出现指状熔深，尤其焊铝时较明显。
此外，电弧动压力、斑点力、爆破力、熔滴冲击力等对于焊缝的成型都有很大的关系。
电弧电流密度对其有一定的影响，故为保证焊接的良好成型，研究其电流密度有着举足轻重的意义。
由上文可知，电流密度和载流区形态是影响焊接过程的至关重要的因素，因此对于这几个参量的研究就显得非常有必要，正是基于这种情况，国内外学者给出了相当多的方法和结论，以下就对目前国内外的研究现状做一简要的分析。
2国内外研究现状
装备制造业的迅猛发展，极大地推动了高强度级别结构材料的开发及应用，特别是在新能源装备制造及深海装备制造领域，越来越多的厚壁工件采用高强度级别结构材料制造。
如何实现该类材料的高效精量化高品质焊接，成为新材料加工领域关注的焦点。
TIG（TIG-TungstenInsertGas）焊采用高纯氩气保护熔池与电弧，可精确调控线能量、控制冶金损伤、减小热应力及HAZ尺寸，在高强度级别结构材料的精量化高品质焊接方面具有不可替代的优势。
例如美国海军为舰艇用低合金高强钢（HSLA80-100）研制的超低碳贝氏体（ULCB）焊接材料，采用TIG焊接方法进行焊接，接头韧性高达190J，焊缝强度可达700Mpa，而改用CO2气体保护焊，接头韧性则大幅下降至60J[6,7]。
然而，由于TIG焊电弧热效率相对较低，且钨电极承载电流能力有限，导致焊缝熔深浅，焊接速度低，焊接效率不高，往往需要采取一定措施调控电弧特性，改善其对材料的加热效果，适应各种工艺要求，以实现高效精量化高品质焊接。
对于TIG电弧而言，调控电弧特性的本质是改变电流密度这一施加于熔池之上的电弧物理状态参数的分布特征，从而影响电弧对熔池的耦合作用，最终决定焊缝性能。
因此，建立和分析电弧物理状态参数空间分布模型，能够为明确电弧特性调控机理，掌握电弧特性的调控因素提供直接的实验依据。
目前，大多学者采取数值分析和实验测量两种方式对TIG电弧电流密度这一电弧物理状态参数分布进行研究。
数值分析主要是根据流体守恒控制方程组和麦克斯韦控制方程组对整个电弧载流区建立二维数学模型，同时耦合考虑电磁力、气体流动以及热传递等相互作用，在此基础上求解电流密度的空间分布，并通过有限差分原理进一步得到不同焊接电流、弧长对TIG电弧物理状态参数的影响，如K.C.Hsu等求解了自由燃烧TIG电弧电流密度、弧柱轴向电场强度等物理特性[8,9]。
焊接电弧的数值模拟大多数是以TIG电弧作为研究对象的，但是目前的电弧模型有三方面不足：
①计算时阴极形状是圆柱体。
前端没有锥角，不符合实际情况。
②模型中电流密度计算没有包括阴极。
假定阴极斑点电流密度在一定电流范围内为常数。
③模型中没有考虑从阴极和阳极中蒸发出金属蒸气对电弧参量分布的影响。
但是J.armer[10]的研究表明，金属蒸气主要出观在电弧的阳极区，对电弧并没有太大的影响。
本文计算模型采用符合实际的具有尖端的阴极形状，电流密度分布考虑了阴极和弧柱区，由已知的电流大小和阴极形状计算而得。
计算中没有考虑金属蒸气的影响。
他们从TIG焊电弧较完整的的数学模型出发，给出了不同焊接电流和不同阴极形状下的电流密度分布。
数值模拟均采用Gaussian分布的电流密度分布模型，这对常规的对称TIG电弧来说是完全适用的。
这在一定程度上可以模拟大多数情况下的电流密度分布[11]，但是其载流区形态及电流密度分布均为轴对称型，采用这种方法能够和结果很好的吻合，但是在有些焊接情况下，比如超窄间隙中的TIG由于受到电弧坡口的影响及其他限制作用，电弧载流区形态和电流密度分布并非是轴对称形的，这极大的影响了对这种方法的使用。
采用实验测量的方法可以直接或间接得到自由燃烧TIG电弧电流密度，如K.T.Shih和O.H.Nestor均采用分裂阳极法对TIG电弧阳极表面电流密度进行测量[12,13]；D.S.-Oh等则通过小孔静态法测量电弧压力，并进一步结合伯努利方程推导求得阳极表面电流密度的分布[14]；贾昌申等利用钨探针直接测量阳极表面电弧电流密度分布[15]。
显然，实验测量的方法同样受限于轴对称条件，难以对非轴对称TIG电弧电流密度进行分析，且得到的电流密度只能表征阳极表面分布特征，而无法对弧柱空间电流密度进行描述。
现在将典型的几种研究方法进行系统的介绍。
1）分裂阳极法测电弧载流区电流密度：
赵彭生[16]等人利用分裂阳极法对电弧进行模拟从而得到电流密度分布，如图2.1所示，具体的原理是焊接电弧的热特性主要取决于电流密度的分布场。
由图2.1可知，电弧在两极板上产生后，在磁吹力和气吹力的作用下沿着电极方向以速度V作近似直线运动，试验中可以检测到整个回路的总电流值I。
如果不对试验电路进行处理就无法得到电流在极板上的分布情况，例如电弧弧根何时到达极板上的一个考察位置A，以及电流在位置A的两侧是如何分布等情况。
用分离极板法可以解决上述问题。
在极板的考察位置A处用一个狭缝把考察电极分为左右两部分，并在狭缝中填充绝缘物质，把左、右电极彻底隔离，再用一个小电阻值的连接导线将右极板与电源连接。
当电弧运动到狭缝并在狭缝的右侧形成部分弧根后，电弧被狭缝分成左右两部分，左侧弧根传送的电流为I1，右侧弧根传送的电流为I2。
由于狭缝和绝缘填充物的存在，电流I1、I2只能分别通过左、右极板回到电源，对电流I1、I2进行检测，就可以测试出电弧到达位置A的时间，以及电流在位置A两侧的分布情况。
根据需要可以在极板上加工多个狭缝以得到更详细的电弧分布信息[17]。
采用分裂阳极确定焊接电弧阳极平面电流密度的分布模型。
这是一种简便可靠的方法。
在研究磁控等离子弧物理特性的过程中，曾采用这一方法，在测定的基础上，建立了阳极电流密度的二维正态密度函数模型。
这一模型的缺点在于。
正态密度函数永不为零，即无法确定电弧的边界。
事实上，将分裂阳极测得的分布曲线在正态概率纸上配备拟合，可以发现偏离电弧中心愈远，其测量值偏离配备直线也愈远，这说明正态模型并不能准确地反映电流密度的分布规律，偏离中心愈远其误差愈大。
为了寻求更为合理的分布模型，通过反复测定配备，发现测量的结果与威布尔密度函数有着精确的一致性。
采用这一模型，不仅可以精确地算出阳极平面任一点的电流密度，并可方便地确定电弧的边界，但是这种方法很好的模拟了电流密度分布，单还是无法测量电弧弧柱区的电流密度分布。
虽然分裂阳极法能够很好的测量电弧的温度分布和电流密度分布，但是这种方法只能测量阳极表面附近的分布，而电弧的弧柱区和阴极区它并没有提供相应的理论去研究，并且有的电弧因为坡口的影响并不能进行实际操作，所以有些情况下实验测量并不能得出相应的结论。
2）小孔静态法测电弧电流密度：
殷凤良[18]采用一种小孔静态法来计算电流密度，其原理是，熔化的液态金属在等离子束流强有力的冲击作用下产生下凹，当等离子电弧作用力足够大时将会产生小孔。
熔化金属的温度非常高，很难用试验手段实时准确测定小孔的形状。
通过拍摄焊接过程中等离子电弧照片和焊后凝固小孔形貌来粗略估计形成电弧反翘时的小孔形状。
其具体步骤为：
定义小孔的尺寸，设一个初始温度分布，计算电流密度的分布；将电流密度的计算结果代入磁场，计算电磁力和焦耳热的分布；最后把电磁力和焦耳热的计算结果作为体积力和体积生热代入流场中，耦合计算速度和温度分布；再将流场中计算出的温度分布代入电场计算电流密度分布。
如此反复，直至收敛。
这种方法能够很好的模拟电流密度的分布，但是在定义小孔尺寸的时候难免存在误差，另外这种方法对钨极尖端的形状要求较为严格，因此对于大多数情况下的钨极形状是不适用的。
图2.1分裂阳极法试验原理图2.2钨探针法测量电弧电流密度的实验装置
3）钨探针法测电流密度：
刘海侠[19]等人采用钨探针法测量电弧电流密度，试验装置如图2.1所示，所用探针为
0.85
mm的钨极，它与水冷铜阳极极板间的绝缘层厚度为0.1到0.15mm，这种测量方法的优点是，每次测量出的电流均为某一点上的电流数值，很容易换算成为电流密度，该测量方法具有直观、精确度高、计算简单等优点，所得实验结果能真实地反映实际焊接电弧特性，尽管如此，迄今还很少有人采用这种探针测量法，原因是测方法具体实施时有一定难度：
探针与阳极板之间的绝缘要求高，而且绝缘层厚度应尽量小，以减小测量误差；测量过程中探针的烧损应尽量慢，不仅不能熔化，而且要尽可能保持它的尖端几何形状和尺寸；与此同时，探针的直径不能大，以提高测量精度。
实践表明，测量过程中尽管采取了强化冷却等措施，探针仍然容易被加热到高温，烧损速度较快；且测量一组数据过程中不允许更换电极，在现有条件下，又难以找到更理想的探针材料，所以虽然采取了很多措施，但对于大电流电弧的测量仍然无能为力。
显然，电弧电流越小，该方法的测量精度越高。
因此当电弧电流比较大时，这种方法并不能特别准确的测量电流密度。
4）静电探针法：
静电探针原理是在等离子体内部插入一对电极，两极之间加一直流电压，便构成一简单静电探针。
由于等离子体具有导电性，在探针上施加一直流电压，就会有一定直流电流流过探针，探针电流与所加电压的关系曲线叫作探针的特性曲线。
这条曲线包含一些重要等离子体内参数信息。
常规的静电探针实验装置结构简单，采用金属丝作为探针，外侧覆套绝缘物，探针露出的金属端头作为工作端插入被测量的电弧中，且工作端表面积越小，越有利于对带电粒子物理状态参数进行局域微量测量和分析[20,21]。
探针端头在带电粒子的作用下，相对于参考电极存在一个电位差，并使探针测量回路产生电流。
当带电粒子空间密度分布、温度改变时，电位差和电流将发生变化，通过分析探针电位电流波形可对电弧特性进行认识，如Fanara等人使用静电探针测量了TIG电弧空间电位及电位梯度[20,21]；Richardson和Li等通过静电探针测量了电弧中离子的分布范围[20,22]。
1924年朗缪尔首先用这样的金属丝测量了等离子体的参数，故将在这种工作条件下的金属丝特称为朗缪尔探针（有时也称为静电探针）。
由于这种探针非常简单（在细节上原理相当复杂），基本结构是把一根除了端点工作部分以外其余部分均用陶瓷或玻璃等绝缘套套起来的细金属丝插进等离子体内部，使其端点工作部分与等离子体接触，另一端接直流电源。
调节电源电压，金属丝端点相对于等离子体的电位可为正或可为负，因此它是一种很有用的诊断工具[23]。
但对于高温等离子体，特别是当存在强磁场时，需要作大的修正。
近年来，朗缪尔探针经常应
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