等離子弧(hu)焊通常由用 PAW 來表示，等離子弧焊是在直流鎢極氬弧焊的基礎上，于20世紀60年代研究發展起來的，并很快就被應用于焊接生產的一種新的焊接方法，受到了焊接工作者的廣泛重視。實驗證明，借助于水冷噴嘴的外部拘束條件，使電弧的弧柱橫截面擴散受到限制，電弧的溫度、能量密度、等離子流速都會顯著增大。這種采用外部拘束條件使得弧柱受到壓縮的電弧就是通常所稱的等離子弧。從本質上講，等離子弧仍然是一種電弧放電的氣體導電現象，所用的電極仍是鎢棒。等離子弧焊一般采用直流正極性，電源外特性為下降或垂直下降特性，其原理圖5-8。
一、等離子弧的(de)特性
1. 靜態特(te)性
等(deng)離子(zi)弧(hu)的靜態特性(xing)仍然呈U型曲線，但(dan)具有以下特點(dian)：
a. 由(you)于冷(leng)壁(bi)噴嘴(zui)的拘束作用使弧柱橫截面積受到限制，弧柱電(dian)場強度增大，電(dian)弧電(dian)壓明(ming)顯提(ti)高，U型特性的平直區較(jiao)自由(you)電(dian)弧明(ming)顯縮小。
b. 拘束孔道的(de)尺(chi)寸和形(xing)狀對靜特性有明(ming)顯的(de)影響(xiang)，噴(pen)嘴孔徑越小，U型(xing)特性平直區域就越小，上升段(duan)斜率增大，即弧柱電場強度增大。
c. 離子氣的種類(lei)和流量不同時，弧柱的電場(chang)強度將有(you)明顯變化。因此，用(yong)于(yu)等離子弧焊的電源空載電壓應按所(suo)用(yong)等離子氣種類(lei)而定(ding)。
d. 如果采(cai)(cai)用(yong)(yong)聯合(he)型等離(li)子弧(hu)，轉移弧(hu)U型特性下降區段斜(xie)率明(ming)顯減小，這是由(you)于非轉移弧(hu)的存在為轉移弧(hu)提供(gong)了(le)導電通路之故。因此小電流微(wei)束等離(li)子弧(hu)常采(cai)(cai)用(yong)(yong)混合(he)型弧(hu)，以提高其穩定性。
2. 熱源特(te)性
a. 溫度(du)(du)和能量密度(du)(du)
等(deng)離(li)子弧(hu)的弧(hu)柱溫度(du)(du)(du)高(gao)(gao)，能量密(mi)度(du)(du)(du)大(da)。從(cong)圖5-9和圖5-10可以看出，等(deng)離(li)子弧(hu)對(dui)焊(han)件(jian)加熱集中(zhong)，熔透(tou)力強，焊(han)接時速度(du)(du)(du)要比(bi)氬弧(hu)焊(han)快(kuai)得(de)多，從(cong)而可提高(gao)(gao)焊(han)接生(sheng)產效率。普通鎢極氬弧(hu)的最高(gao)(gao)溫度(du)(du)(du)為(wei)10000K~24000K,能量密(mi)度(du)(du)(du)小于(yu)10kW/c㎡;而等(deng)離(li)子弧(hu)的溫度(du)(du)(du)可高(gao)(gao)達24000K~50000K,能量密(mi)度(du)(du)(du)可達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因(yin)此，等(deng)離子弧(hu)焊(han)的焊(han)縫截面形狀(zhuang)較窄(zhai)，深寬(kuan)比大，無疑焊(han)件(jian)變(bian)形就小(xiao)。等(deng)離子弧(hu)焊(han)和(he)鎢極氬弧(hu)焊(han)深寬(kuan)比比較見圖5-11。
等(deng)離子弧溫度和能量密(mi)度高(gao)的(de)原因是(shi)：
①. 水冷噴(pen)嘴孔徑限定了弧(hu)柱(zhu)橫截面積不能自由擴大，這種(zhong)拘束作(zuo)用稱為機械壓(ya)縮作(zuo)用。
②. 噴嘴水冷(leng)作用(yong)使(shi)(shi)靠近(jin)噴嘴內壁(bi)的(de)氣體也受到強烈的(de)冷(leng)卻作用(yong)，并(bing)且(qie)溫度(du)和電(dian)離(li)度(du)均迅速下降(jiang)，迫(po)使(shi)(shi)弧柱區電(dian)流集中到弧柱中心(xin)的(de)高溫高電(dian)離(li)度(du)區。這樣由于(yu)冷(leng)壁(bi)而在弧柱四周產(chan)生(sheng)一層電(dian)離(li)度(du)趨(qu)近(jin)于(yu)零(ling)的(de)冷(leng)氣膜，從而使(shi)(shi)弧柱有效橫(heng)截面進(jin)一步(bu)減小(xiao)，電(dian)流密(mi)度(du)進(jin)一步(bu)提高。這種使(shi)(shi)弧柱溫度(du)和能(neng)量(liang)密(mi)度(du)提高的(de)作用(yong)通常又稱(cheng)為熱收(shou)縮(suo)效應(ying)。
③. 由于以上兩個收縮效應的存在(zai)，弧柱(zhu)電流密度增(zeng)大以后，弧柱(zhu)電流線之(zhi)間的電磁收縮作(zuo)用也(ye)進一步增(zeng)強，致使弧柱(zhu)溫度和能(neng)量密度進一步提(ti)(ti)高。以上3個因(yin)素中，噴嘴機械拘(ju)束是前(qian)提(ti)(ti)條件，而熱收縮則是最(zui)本質的原因(yin)。
等離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)溫度(du)(du)(du)和能(neng)量(liang)密度(du)(du)(du)的顯著(zhu)提高(gao)，弧(hu)(hu)柱(zhu)近似于(yu)圓柱(zhu)形，使(shi)等離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)的穩定性和挺直度(du)(du)(du)變得(de)更好。自由電弧(hu)(hu)（如鎢極氬(ya)弧(hu)(hu)焊）的擴散(san)角約為45°,等離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)擴散(san)角約為5°(圖(tu)5-12),這(zhe)是因為壓縮后從噴(pen)嘴口噴(pen)射出的等離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)帶電質點(dian)運(yun)動速度(du)(du)(du)明顯提高(gao)所(suo)致，速度(du)(du)(du)最高(gao)可(ke)達(da)300m/s(跟(gen)噴(pen)嘴結構(gou)、離子(zi)(zi)氣(qi)種類和流量(liang)有關）。
圖5-13是等離子(zi)弧(hu)焊(han)和(he)鎢(wu)極(ji)氬(ya)弧(hu)焊(han)時(shi)，弧(hu)長(chang)波(bo)動時(shi)對焊(han)縫熔(rong)深(shen)(shen)的影響。當等離子(zi)弧(hu)長(chang)（實際上是噴(pen)嘴(zui)端(duan)面到(dao)焊(han)件表面的距離）從3mm增大到(dao)8mm時(shi)，對焊(han)縫熔(rong)深(shen)(shen)幾乎不產(chan)生(sheng)影響；而鎢(wu)極(ji)氬(ya)弧(hu)孤長(chang)從1.5mm增大到(dao)2.5mm時(shi)，焊(han)縫的熔(rong)深(shen)(shen)就(jiu)明顯下降。
b. 熱源(yuan)成分
普(pu)通鎢極氬弧(hu)(hu)焊(han)中，加熱(re)焊(han)件的熱(re)量(liang)主(zhu)要來(lai)源于陽極斑(ban)點，弧(hu)(hu)柱輻射熱(re)和傳導熱(re)僅起輔(fu)助作(zuo)用。在等離(li)子弧(hu)(hu)焊(han)中，情況則有變化，弧(hu)(hu)柱高速等離(li)子體通過接(jie)觸傳導和輻射帶給焊(han)件的熱(re)量(liang)明顯(xian)增加，甚至可能成(cheng)為(wei)主(zhu)要的熱(re)量(liang)來(lai)源，而陽極熱(re)則降(jiang)為(wei)次要地(di)位。
3. 等離(li)子弧(hu)的基本形(xing)式
等(deng)離子弧按(an)電源的接法(fa)和(he)產生形(xing)式(shi)的不(bu)同，可分為轉移(yi)型、非轉移(yi)型和(he)聯合型3種基(ji)本(ben)形(xing)式(shi)，如(ru)圖5-14所示。
a. 轉移型等離子弧(hu)
等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)是在電(dian)(dian)(dian)極和工(gong)(gong)件(jian)之間燃燒，但由(you)于(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)極內縮(suo)于(yu)(yu)等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)噴嘴(zui)內，難以直(zhi)接形成等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)，所以必須先在電(dian)(dian)(dian)極和水(shui)冷噴嘴(zui)之間引燃電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)（水(shui)冷噴嘴(zui)既是電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)一極，又起著冷壁拘束電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)作用），再(zai)轉移(yi)(yi)(yi)為(wei)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)在電(dian)(dian)(dian)極與(yu)工(gong)(gong)件(jian)之間燃燒。這種借助于(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)極與(yu)水(shui)冷噴嘴(zui)再(zai)轉移(yi)(yi)(yi)為(wei)電(dian)(dian)(dian)極與(yu)工(gong)(gong)件(jian)之間的(de)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)稱為(wei)轉移(yi)(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)（圖5-14a).由(you)于(yu)(yu)轉移(yi)(yi)(yi)型(xing)等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)的(de)陽極斑點處于(yu)(yu)工(gong)(gong)件(jian)上，直(zhi)接加(jia)熱(re)工(gong)(gong)件(jian)，使電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)熱(re)量的(de)有(you)效利用率提高，同時(shi)轉移(yi)(yi)(yi)型(xing)等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)具有(you)很高的(de)動能和沖擊力，特別適合(he)于(yu)(yu)焊接。
b. 非轉(zhuan)移型(xing)等離子弧
電(dian)源接(jie)于電(dian)極(ji)(ji)和(he)噴嘴(zui)之間，工件不接(jie)入焊(han)接(jie)回路，鎢極(ji)(ji)為(wei)陰極(ji)(ji)，噴嘴(zui)為(wei)陽極(ji)(ji)，等離(li)子(zi)弧在電(dian)極(ji)(ji)和(he)水冷噴嘴(zui)之間引燃電(dian)弧（水冷噴嘴(zui)既是電(dian)弧的(de)一極(ji)(ji)，又起(qi)著冷壁拘束(shu)電(dian)弧的(de)作用）噴出，形成的(de)等離(li)子(zi)弧稱為(wei)非轉移型等離(li)子(zi)弧，又叫(jiao)等離(li)子(zi)焰，見圖5-14b。
因為非轉(zhuan)移型等離子(zi)弧對工件(jian)的加熱(re)是(shi)間(jian)接(jie)的，傳到(dao)工件(jian)上(shang)的熱(re)量較少，只適用于焊接(jie)薄板和等離子(zi)噴涂，這里就(jiu)不(bu)再詳細介紹。
c. 聯合型等離子弧
轉移(yi)型等(deng)(deng)離子弧(hu)和非(fei)轉移(yi)型等(deng)(deng)離子弧(hu)同(tong)時(shi)存在的等(deng)(deng)離子弧(hu)，稱為(wei)聯合型等(deng)(deng)離子弧(hu)，如圖5-14c所示。這(zhe)種等(deng)(deng)離子弧(hu)焊(han)很(hen)少采用，這(zhe)里(li)就不再詳(xiang)細介紹。
二、等(deng)離子(zi)弧(hu)焊設備
1. 焊接電(dian)源
具有下降或垂直(zhi)陡降特(te)性的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)（與鎢極氬(ya)(ya)弧(hu)焊(han)的(de)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)相同）都(dou)可(ke)(ke)供(gong)等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)焊(han)使用(yong)(yong)(yong)。用(yong)(yong)(yong)純氬(ya)(ya)氣(qi)做離(li)子(zi)(zi)氣(qi)時(shi)，電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)空載電(dian)(dian)壓(ya)(ya)只(zhi)需65V~80V;用(yong)(yong)(yong)氬(ya)(ya)＋氫(qing)混合(he)氣(qi)做離(li)子(zi)(zi)氣(qi)時(shi)，電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)空載電(dian)(dian)壓(ya)(ya)需110V~120V.若無合(he)適的(de)專用(yong)(yong)(yong)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)，可(ke)(ke)用(yong)(yong)(yong)兩臺普通直(zhi)流(liu)弧(hu)焊(han)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)串聯使用(yong)(yong)(yong)。大電(dian)(dian)流(liu)等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)焊(han)都(dou)采(cai)用(yong)(yong)(yong)轉(zhuan)移(yi)(yi)(yi)(yi)型弧(hu)，用(yong)(yong)(yong)高頻引燃非轉(zhuan)移(yi)(yi)(yi)(yi)弧(hu)，然后轉(zhuan)移(yi)(yi)(yi)(yi)成轉(zhuan)移(yi)(yi)(yi)(yi)弧(hu)。因此，一(yi)般可(ke)(ke)以采(cai)用(yong)(yong)(yong)一(yi)臺焊(han)接電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)，用(yong)(yong)(yong)串接電(dian)(dian)阻的(de)方法向電(dian)(dian)極和水冷噴嘴回(hui)路提供(gong)產(chan)生非轉(zhuan)移(yi)(yi)(yi)(yi)弧(hu)所需要(yao)的(de)較低電(dian)(dian)流(liu)，見圖5-14a。
2. 引弧裝置
等離(li)子弧焊的引弧裝置與鎢極(ji)氬弧焊的引弧裝置基本相同。
3. 控制系(xi)統(tong)
使用兩套電(dian)源時(shi)，需(xu)能分別調(diao)節非轉移(yi)弧和轉移(yi)弧的電(dian)流，其余(yu)與(yu)鎢極氬弧焊類似(si)。遇復雜情況(kuang)，還需(xu)能控制(zhi)離子氣的遞(di)增和衰減。
4. 氣路和水路
等離(li)子弧焊供氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)(tong)的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)路(lu)要比鎢(wu)極(ji)氬弧焊復雜(za)，見圖5-15。等離(li)子弧焊如采用混氫混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體時，必須保證供氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)(tong)中不能漏氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，否則會(hui)有(you)引起爆炸的(de)危險(xian)。在供氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)(tong)中，要有(you)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)流匯流裝置進(jin)行均流，均勻地將(jiang)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)分配給各路(lu)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)路(lu)；還要有(you)貯氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)筒，對離(li)子氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)進(jin)行緩沖。衰減氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)閥對結束焊接時的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)流進(jin)行衰減。
等離子弧焊(han)的水路(lu)與鎢極氬弧焊(han)的水路(lu)相同。
5. 焊(han)槍
等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊槍(qiang)要比鎢極氬(ya)焊焊槍(qiang)復雜、精密得多，其中最主要的(de)部(bu)件(jian)是離(li)子(zi)弧(hu)噴嘴和(he)保證鎢極與等(deng)離(li)子(zi)噴嘴同心的(de)裝(zhuang)置。某型號300A等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊槍(qiang)結構(gou)見圖(tu)5-16。
三、等離子(zi)弧焊槍(qiang)的(de)噴嘴
等(deng)離子弧(hu)焊槍(qiang)的(de)噴嘴是(shi)產生等(deng)離子弧(hu)的(de)關鍵(jian)部件，它的(de)設計是(shi)否合(he)理，對保證等(deng)離子弧(hu)的(de)穩定(ding)、正常工作(zuo)以及焊接質量(liang)具有(you)決定(ding)性作(zuo)用。
1. 噴嘴的主要結(jie)構參數（圖(tu)5-17)
a. 噴嘴孔徑d
噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)孔徑(jing)d,它(ta)決定等離子(zi)弧(hu)直(zhi)徑(jing)的(de)大(da)小(xiao)(xiao)。噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)孔徑(jing)d決定了應使(shi)用的(de)焊(han)接電(dian)流(liu)和(he)(he)離子(zi)氣(qi)流(liu)量(liang)，也可以依據(ju)焊(han)接電(dian)流(liu)和(he)(he)離子(zi)氣(qi)流(liu)量(liang)先擇噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)孔徑(jing)d的(de)大(da)小(xiao)(xiao)。總(zong)之，d越(yue)大(da)則壓縮作用越(yue)小(xiao)(xiao)，當d過于大(da)對則無(wu)壓縮效果；而(er)d過小(xiao)(xiao)時，則會引起雙(shuang)弧(hu)（圖5-47),破壞了等離子(zi)弧(hu)的(de)穩定性(xing)。因此，對于給定的(de)d值，有一個(ge)合理的(de)焊(han)接電(dian)流(liu)使(shi)用范(fan)圍。表5-2列出了常用的(de)某型號噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)孔徑(jing)d及其焊(han)接電(dian)流(liu)的(de)使(shi)用范(fan)圍，供參考。
b. 噴嘴孔長度L
當噴嘴(zui)孔徑d給(gei)定時，噴嘴(zui)孔長度（深度）L的增加，則壓縮作用加強。常以L/d表(biao)示噴嘴(zui)孔道壓縮特征，稱(cheng)之(zhi)為孔道比（表(biao)5-3).
c. 錐角 α
錐(zhui)角α又稱(cheng)壓(ya)縮(suo)角，實(shi)際上它(ta)對等離子弧(hu)壓(ya)縮(suo)狀態影響不(bu)大，特別是當離子氣(qi)流量較小，L/d較小時(shi)(shi)。但壓(ya)縮(suo)角小時(shi)(shi)，能(neng)增強對電弧(hu)的壓(ya)縮(suo)作用(yong)。一般應(ying)注意和(he)鎢極端部形狀相配合，以利于陰極斑點置于鎢極頂端而不(bu)上漂。常用(yong)的壓(ya)縮(suo)角α值為60°~75°。
d. 壓(ya)縮(suo)通道的形(xing)狀
多數噴(pen)(pen)(pen)嘴采(cai)用圓(yuan)柱(zhu)形(xing)壓縮通道，但也有采(cai)用圓(yuan)錐形(xing)、臺階圓(yuan)柱(zhu)形(xing)等擴(kuo)散型(xing)噴(pen)(pen)(pen)嘴。這類(lei)噴(pen)(pen)(pen)嘴降低了壓縮程度，有利于提高(gao)等離子弧的穩定(ding)性和噴(pen)(pen)(pen)嘴使用壽命(ming)。擴(kuo)散型(xing)噴(pen)(pen)(pen)嘴結構見(jian)圖5-18。
除(chu)了單孔(kong)型（圖(tu)(tu)5-17a)噴嘴(zui)(zui)外(wai)，還有(you)(you)多孔(kong)型噴嘴(zui)(zui)。例(li)如，兩側帶有(you)(you)2個(ge)輔助(zhu)小(xiao)孔(kong)的焊接噴嘴(zui)(zui)（圖(tu)(tu)5-17b),可(ke)使等(deng)離(li)子弧的橫截(jie)面由圓形變為橢圓形，使熱(re)(re)源有(you)(you)效功率密(mi)度提(ti)高(gao)，有(you)(you)利(li)于(yu)進(jin)一(yi)步(bu)(bu)提(ti)高(gao)焊速和減小(xiao)焊縫及熱(re)(re)影響(xiang)區寬度。四(si)周(zhou)帶有(you)(you)多個(ge)小(xiao)孔(kong)的噴嘴(zui)(zui)（圖(tu)(tu)5-17c)可(ke)使等(deng)離(li)子弧在(zai)噴嘴(zui)(zui)外(wai)得(de)到二(er)次壓縮(suo)，用(yong)于(yu)切割，有(you)(you)利(li)于(yu)進(jin)一(yi)步(bu)(bu)提(ti)高(gao)等(deng)離(li)子弧挺(ting)度及切口質量；但過多的小(xiao)孔(kong)易受金(jin)屬飛濺物堵塞而失去其有(you)(you)利(li)作用(yong)并(bing)造(zao)成不利(li)的等(deng)離(li)子弧偏轉，因此(ci)并(bing)未得(de)到廣泛應用(yong)。
2. 噴嘴的(de)材料和冷卻
等離(li)子(zi)弧焊(han)的(de)(de)(de)噴(pen)嘴(zui)應采用導熱(re)性良好的(de)(de)(de)紫銅制成(cheng)，大功率（電(dian)流(liu)）噴(pen)嘴(zui)還必須采用直接(jie)水(shui)冷，并保證(zheng)冷卻(que)(que)(que)(que)水(shui)有足夠的(de)(de)(de)流(liu)量和壓(ya)(ya)力，最好配備專用高壓(ya)(ya)冷卻(que)(que)(que)(que)裝置(zhi)。大功率等離(li)子(zi)弧焊(han)槍應采用循環的(de)(de)(de)高壓(ya)(ya)蒸餾水(shui)直接(jie)冷卻(que)(que)(que)(que)槍體，冷卻(que)(que)(que)(que)水(shui)再經(jing)熱(re)交換器(qi)散熱(re)后循環使用。為(wei)了(le)提高冷卻(que)(que)(que)(que)效果，噴(pen)嘴(zui)的(de)(de)(de)壁厚一般在2mm~2.5mm之間(jian)。
