等(deng)離子弧焊(han)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(li)子弧的特性

1. 靜態特性

 等離子弧的靜態特性仍然呈U型曲線，但(dan)具有(you)以下特點：

  a. 由于冷壁噴嘴的拘束作用使弧(hu)柱橫(heng)截(jie)面積受到限制，弧(hu)柱電(dian)(dian)場強度增(zeng)大，電(dian)(dian)弧(hu)電(dian)(dian)壓(ya)明顯提高，U型特性的平直(zhi)區較自由電(dian)(dian)弧(hu)明顯縮小(xiao)。

  b. 拘(ju)束孔(kong)道的尺寸(cun)和形狀對(dui)靜(jing)特(te)性有(you)明顯的影響，噴嘴孔(kong)徑越(yue)小，U型特(te)性平直區域就越(yue)小，上(shang)升段斜率(lv)增(zeng)大(da)，即弧柱電場(chang)強度(du)增(zeng)大(da)。

  c. 離子(zi)氣(qi)的種類和流量(liang)不(bu)同時，弧(hu)柱(zhu)的電場強度將有(you)明顯變化。因此，用于(yu)等離子(zi)弧(hu)焊的電源空載電壓(ya)應按所(suo)用等離子(zi)氣(qi)種類而定。

  d. 如(ru)果采用聯合(he)型等(deng)離(li)子弧(hu)，轉(zhuan)(zhuan)移弧(hu)U型特性下降區(qu)段(duan)斜(xie)率明(ming)顯減小(xiao)，這是由于(yu)非轉(zhuan)(zhuan)移弧(hu)的存在為(wei)轉(zhuan)(zhuan)移弧(hu)提供(gong)了導電(dian)通路之故。因此小(xiao)電(dian)流微束等(deng)離(li)子弧(hu)常采用混(hun)合(he)型弧(hu)，以(yi)提高其穩定性。

2. 熱(re)源特(te)性

  a. 溫(wen)度(du)和能量密度(du)

   等(deng)離子弧的(de)弧柱溫度(du)(du)高(gao)(gao)(gao)，能(neng)(neng)量密(mi)度(du)(du)大。從(cong)圖5-9和圖5-10可以看(kan)出，等(deng)離子弧對(dui)焊件(jian)加(jia)熱集中(zhong)，熔透力(li)強，焊接(jie)時速度(du)(du)要比(bi)氬弧焊快得多，從(cong)而可提高(gao)(gao)(gao)焊接(jie)生產效(xiao)率。普通鎢極氬弧的(de)最高(gao)(gao)(gao)溫度(du)(du)為10000K~24000K,能(neng)(neng)量密(mi)度(du)(du)小于10kW/c㎡;而等(deng)離子弧的(de)溫度(du)(du)可高(gao)(gao)(gao)達24000K~50000K,能(neng)(neng)量密(mi)度(du)(du)可達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.

   因此，等(deng)(deng)離子弧焊(han)的焊(han)縫截(jie)面形(xing)狀較(jiao)窄，深寬(kuan)比大，無疑焊(han)件變形(xing)就小(xiao)。等(deng)(deng)離子弧焊(han)和鎢極氬弧焊(han)深寬(kuan)比比較(jiao)見圖5-11。

  等(deng)離子弧溫度和能量密度高的原因是：

   ①. 水冷噴嘴孔徑限定了弧(hu)柱橫截面積(ji)不能(neng)自由擴大，這種拘束作用(yong)稱為機械壓縮(suo)作用(yong)。

   ②. 噴(pen)嘴水冷(leng)(leng)作用(yong)使靠近噴(pen)嘴內壁(bi)的(de)(de)氣體也受到強烈的(de)(de)冷(leng)(leng)卻作用(yong)，并且溫(wen)度(du)和(he)電(dian)(dian)離度(du)均迅速下降(jiang)，迫使弧(hu)柱(zhu)區電(dian)(dian)流集中到弧(hu)柱(zhu)中心的(de)(de)高溫(wen)高電(dian)(dian)離度(du)區。這樣由于冷(leng)(leng)壁(bi)而(er)在弧(hu)柱(zhu)四周產(chan)生一層電(dian)(dian)離度(du)趨近于零的(de)(de)冷(leng)(leng)氣膜，從而(er)使弧(hu)柱(zhu)有效橫截面進(jin)一步(bu)減小，電(dian)(dian)流密度(du)進(jin)一步(bu)提高。這種使弧(hu)柱(zhu)溫(wen)度(du)和(he)能(neng)量密度(du)提高的(de)(de)作用(yong)通常(chang)又稱(cheng)為熱收縮效應(ying)。

  ③. 由于以(yi)上兩個收(shou)縮(suo)(suo)效應(ying)的(de)(de)存(cun)在(zai)，弧(hu)(hu)柱(zhu)電(dian)流密度(du)(du)(du)增大以(yi)后(hou)，弧(hu)(hu)柱(zhu)電(dian)流線之間的(de)(de)電(dian)磁收(shou)縮(suo)(suo)作用也進(jin)一步增強，致使(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)溫(wen)度(du)(du)(du)和能量密度(du)(du)(du)進(jin)一步提高。以(yi)上3個因素(su)中，噴(pen)嘴機械拘束(shu)是(shi)前提條(tiao)件，而熱收(shou)縮(suo)(suo)則是(shi)最本質的(de)(de)原因。

  等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)(hu)溫度(du)(du)和能量密度(du)(du)的(de)(de)顯(xian)(xian)著提高，弧(hu)(hu)(hu)柱近似于(yu)圓柱形，使等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)穩定性和挺(ting)直度(du)(du)變得更好。自由電弧(hu)(hu)(hu)（如鎢極氬弧(hu)(hu)(hu)焊）的(de)(de)擴散角(jiao)約為(wei)45°,等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)(hu)擴散角(jiao)約為(wei)5°(圖5-12),這是因為(wei)壓(ya)縮后從(cong)噴嘴口(kou)噴射出的(de)(de)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)(hu)帶電質(zhi)點運(yun)動速度(du)(du)明顯(xian)(xian)提高所致，速度(du)(du)最高可(ke)達300m/s(跟噴嘴結構、離(li)(li)子氣種類和流(liu)量有關(guan)）。

  圖(tu)5-13是等離(li)子弧焊(han)和鎢極氬(ya)弧焊(han)時，弧長(chang)波動時對焊(han)縫(feng)熔深(shen)的(de)影響(xiang)。當(dang)等離(li)子弧長(chang)（實(shi)際上是噴嘴端面到焊(han)件表(biao)面的(de)距離(li)）從3mm增(zeng)大到8mm時，對焊(han)縫(feng)熔深(shen)幾乎(hu)不產生影響(xiang)；而鎢極氬(ya)弧孤長(chang)從1.5mm增(zeng)大到2.5mm時，焊(han)縫(feng)的(de)熔深(shen)就明顯(xian)下(xia)降。

 b. 熱源(yuan)成分(fen)

  普(pu)通鎢極氬弧(hu)(hu)焊(han)(han)中，加(jia)(jia)熱(re)(re)焊(han)(han)件(jian)的(de)熱(re)(re)量主要(yao)(yao)來(lai)源于陽極斑點，弧(hu)(hu)柱輻射(she)熱(re)(re)和傳(chuan)導熱(re)(re)僅起輔助作用。在等離子弧(hu)(hu)焊(han)(han)中，情況則有變化，弧(hu)(hu)柱高速等離子體通過接觸傳(chuan)導和輻射(she)帶給焊(han)(han)件(jian)的(de)熱(re)(re)量明(ming)顯增加(jia)(jia)，甚至(zhi)可能成為主要(yao)(yao)的(de)熱(re)(re)量來(lai)源，而陽極熱(re)(re)則降為次要(yao)(yao)地位。

3. 等離子弧的基本形(xing)式

 等(deng)離子弧按電源的(de)接(jie)法和(he)產生形(xing)式的(de)不(bu)同，可(ke)分為轉移型、非轉移型和(he)聯合(he)型3種基本形(xing)式，如(ru)圖5-14所(suo)示(shi)。

  a. 轉移型(xing)等(deng)離子弧

  等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)是在(zai)電(dian)極(ji)和(he)工(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)燃(ran)燒，但由(you)于(yu)電(dian)極(ji)內縮于(yu)等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)噴嘴(zui)內，難以直接形成等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)，所(suo)以必須(xu)先在(zai)電(dian)極(ji)和(he)水冷(leng)噴嘴(zui)之(zhi)間(jian)引燃(ran)電(dian)弧(hu)(hu)（水冷(leng)噴嘴(zui)既(ji)是電(dian)弧(hu)(hu)的一極(ji)，又起(qi)著冷(leng)壁拘束(shu)電(dian)弧(hu)(hu)的作用(yong)），再轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)為電(dian)弧(hu)(hu)在(zai)電(dian)極(ji)與(yu)工(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)燃(ran)燒。這種借助于(yu)電(dian)極(ji)與(yu)水冷(leng)噴嘴(zui)再轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)為電(dian)極(ji)與(yu)工(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)的電(dian)弧(hu)(hu)稱為轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)弧(hu)(hu)（圖(tu)5-14a).由(you)于(yu)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)型等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)的陽(yang)極(ji)斑點處于(yu)工(gong)(gong)件(jian)上，直接加(jia)熱(re)(re)工(gong)(gong)件(jian)，使電(dian)弧(hu)(hu)熱(re)(re)量(liang)的有效利用(yong)率提高，同時轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)型等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)具有很高的動能和(he)沖擊力(li)，特別適合于(yu)焊接。

  b. 非轉移(yi)型等(deng)離子(zi)弧(hu)

  電(dian)源接于電(dian)極和(he)噴(pen)(pen)嘴(zui)之間，工件(jian)不(bu)接入焊接回路，鎢極為(wei)陰極，噴(pen)(pen)嘴(zui)為(wei)陽極，等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧在電(dian)極和(he)水(shui)冷(leng)噴(pen)(pen)嘴(zui)之間引燃電(dian)弧（水(shui)冷(leng)噴(pen)(pen)嘴(zui)既是(shi)電(dian)弧的(de)一極，又(you)起著冷(leng)壁拘束(shu)電(dian)弧的(de)作用）噴(pen)(pen)出，形成的(de)等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧稱為(wei)非轉移型等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧，又(you)叫等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)焰，見(jian)圖5-14b。

  因為非轉移型等離(li)子弧對工(gong)件的(de)(de)加熱(re)是(shi)間接的(de)(de)，傳到工(gong)件上的(de)(de)熱(re)量(liang)較少，只(zhi)適用(yong)于焊接薄板和等離(li)子噴涂，這里就不再(zai)詳細介(jie)紹。

 c. 聯(lian)合型等(deng)離(li)子弧

 轉移(yi)(yi)型(xing)等(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)和非(fei)轉移(yi)(yi)型(xing)等(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)同(tong)時存在的等(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)，稱(cheng)為聯合型(xing)等(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)，如圖5-14c所示。這種等(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)焊很(hen)少(shao)采用(yong)，這里就不再詳細介(jie)紹(shao)。

二、等離子(zi)弧(hu)焊設(she)備

1. 焊(han)接電源(yuan)

具有(you)下(xia)降或(huo)垂直陡(dou)降特(te)性的直流(liu)電(dian)(dian)源（與鎢極氬弧(hu)(hu)焊(han)(han)的電(dian)(dian)源相(xiang)同）都(dou)(dou)可供等離(li)(li)子弧(hu)(hu)焊(han)(han)使用(yong)(yong)。用(yong)(yong)純氬氣(qi)(qi)做(zuo)(zuo)離(li)(li)子氣(qi)(qi)時(shi)，電(dian)(dian)源空(kong)載(zai)電(dian)(dian)壓只需65V~80V;用(yong)(yong)氬＋氫混合氣(qi)(qi)做(zuo)(zuo)離(li)(li)子氣(qi)(qi)時(shi)，電(dian)(dian)源空(kong)載(zai)電(dian)(dian)壓需110V~120V.若(ruo)無合適的專(zhuan)用(yong)(yong)電(dian)(dian)源，可用(yong)(yong)兩臺普通直流(liu)弧(hu)(hu)焊(han)(han)電(dian)(dian)源串(chuan)聯使用(yong)(yong)。大電(dian)(dian)流(liu)等離(li)(li)子弧(hu)(hu)焊(han)(han)都(dou)(dou)采用(yong)(yong)轉移型弧(hu)(hu)，用(yong)(yong)高頻引燃(ran)非轉移弧(hu)(hu)，然后轉移成轉移弧(hu)(hu)。因此，一般可以采用(yong)(yong)一臺焊(han)(han)接電(dian)(dian)源，用(yong)(yong)串(chuan)接電(dian)(dian)阻的方(fang)法向電(dian)(dian)極和水冷噴嘴回路提供產(chan)生非轉移弧(hu)(hu)所需要的較低電(dian)(dian)流(liu)，見圖5-14a。

2. 引(yin)弧裝置

 等(deng)離(li)子(zi)弧焊(han)的(de)引弧裝置(zhi)(zhi)與鎢極氬弧焊(han)的(de)引弧裝置(zhi)(zhi)基(ji)本(ben)相同。

3. 控制系統

使用兩套電源時(shi)，需能(neng)分別(bie)調節非轉移弧(hu)和轉移弧(hu)的(de)電流，其余與鎢(wu)極(ji)氬弧(hu)焊類似。遇(yu)復雜情況，還需能(neng)控(kong)制離(li)子(zi)氣(qi)的(de)遞增和衰減。

4. 氣路(lu)和水路(lu)

 等(deng)離子弧(hu)(hu)焊供(gong)氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)路要比鎢極氬(ya)弧(hu)(hu)焊復雜，見(jian)圖5-15。等(deng)離子弧(hu)(hu)焊如采(cai)用混氫混合氣(qi)(qi)(qi)體時，必須保證供(gong)氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統中(zhong)不能漏氣(qi)(qi)(qi)，否則會有引起爆炸的(de)(de)危險。在供(gong)氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統中(zhong)，要有氣(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)匯流(liu)(liu)裝置進(jin)行(xing)均(jun)流(liu)(liu)，均(jun)勻地將氣(qi)(qi)(qi)分配給(gei)各(ge)路氣(qi)(qi)(qi)路；還要有貯氣(qi)(qi)(qi)筒，對(dui)離子氣(qi)(qi)(qi)進(jin)行(xing)緩(huan)沖。衰(shuai)減氣(qi)(qi)(qi)閥(fa)對(dui)結束(shu)焊接時的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)進(jin)行(xing)衰(shuai)減。

 等離子弧焊(han)的水(shui)路(lu)(lu)與鎢(wu)極氬弧焊(han)的水(shui)路(lu)(lu)相同。

5. 焊槍(qiang)

 等(deng)離(li)子(zi)弧焊(han)(han)(han)槍(qiang)(qiang)要比(bi)鎢極(ji)氬焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)槍(qiang)(qiang)復(fu)雜、精密(mi)得多(duo)，其中最主要的(de)部(bu)件是離(li)子(zi)弧噴(pen)嘴和保證鎢極(ji)與等(deng)離(li)子(zi)噴(pen)嘴同心的(de)裝置。某(mou)型(xing)號300A等(deng)離(li)子(zi)弧焊(han)(han)(han)槍(qiang)(qiang)結構(gou)見圖5-16。

三、等(deng)離子弧焊槍的(de)噴嘴

 等離子(zi)弧(hu)焊(han)槍的(de)噴嘴是(shi)產生等離子(zi)弧(hu)的(de)關鍵部件(jian)，它的(de)設計(ji)是(shi)否合理，對保(bao)證等離子(zi)弧(hu)的(de)穩(wen)定、正(zheng)常工(gong)作(zuo)以及焊(han)接(jie)質量具有(you)決定性(xing)作(zuo)用(yong)。

1. 噴嘴的主要結(jie)構參(can)數（圖5-17)

  a. 噴嘴(zui)孔(kong)徑d

   噴嘴(zui)(zui)孔(kong)徑d,它決(jue)定等離子弧(hu)直徑的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)。噴嘴(zui)(zui)孔(kong)徑d決(jue)定了(le)應(ying)使(shi)用(yong)的(de)(de)焊(han)(han)接電流(liu)(liu)和(he)離子氣(qi)流(liu)(liu)量，也可以(yi)依(yi)據(ju)焊(han)(han)接電流(liu)(liu)和(he)離子氣(qi)流(liu)(liu)量先擇噴嘴(zui)(zui)孔(kong)徑d的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)。總之(zhi)，d越大(da)(da)則壓(ya)縮作用(yong)越小(xiao)，當d過于(yu)大(da)(da)對則無壓(ya)縮效果；而(er)d過小(xiao)時，則會引起雙(shuang)弧(hu)（圖5-47),破壞(huai)了(le)等離子弧(hu)的(de)(de)穩定性(xing)。因(yin)此，對于(yu)給定的(de)(de)d值，有(you)一個合理的(de)(de)焊(han)(han)接電流(liu)(liu)使(shi)用(yong)范圍。表5-2列出(chu)了(le)常用(yong)的(de)(de)某(mou)型號噴嘴(zui)(zui)孔(kong)徑d及(ji)其(qi)焊(han)(han)接電流(liu)(liu)的(de)(de)使(shi)用(yong)范圍，供參考。

  b. 噴嘴孔長(chang)度L

 當噴(pen)嘴(zui)孔(kong)徑d給定時，噴(pen)嘴(zui)孔(kong)長度（深度）L的增(zeng)加，則壓縮作用加強(qiang)。常以L/d表(biao)(biao)示噴(pen)嘴(zui)孔(kong)道壓縮特(te)征，稱之為孔(kong)道比(bi)（表(biao)(biao)5-3).

  c. 錐(zhui)角(jiao) α

   錐角(jiao)α又稱(cheng)壓(ya)縮角(jiao)，實際(ji)上(shang)它對等離子弧(hu)壓(ya)縮狀(zhuang)態影(ying)響不大，特別是(shi)當(dang)離子氣流量較(jiao)小，L/d較(jiao)小時。但壓(ya)縮角(jiao)小時，能增強對電弧(hu)的壓(ya)縮作用(yong)。一般(ban)應(ying)注意(yi)和鎢極端部形狀(zhuang)相配(pei)合，以利于陰極斑(ban)點置于鎢極頂端而不上(shang)漂。常用(yong)的壓(ya)縮角(jiao)α值為(wei)60°~75°。

 d. 壓(ya)縮通道的(de)形(xing)狀(zhuang)

 多(duo)數(shu)噴(pen)嘴采用圓(yuan)柱(zhu)(zhu)形(xing)壓縮通道，但也(ye)有采用圓(yuan)錐形(xing)、臺階圓(yuan)柱(zhu)(zhu)形(xing)等(deng)擴散型噴(pen)嘴。這類噴(pen)嘴降低了壓縮程度，有利于提高等(deng)離子(zi)弧的穩(wen)定性和噴(pen)嘴使用壽命。擴散型噴(pen)嘴結構見圖5-18。

 除(chu)了(le)單孔(kong)(kong)型（圖(tu)5-17a)噴嘴(zui)外(wai)，還有(you)多孔(kong)(kong)型噴嘴(zui)。例如，兩側帶有(you)2個輔助小(xiao)孔(kong)(kong)的(de)焊接噴嘴(zui)（圖(tu)5-17b),可使(shi)等(deng)(deng)離子弧(hu)的(de)橫截面由(you)圓(yuan)形(xing)變為橢(tuo)圓(yuan)形(xing)，使(shi)熱(re)源有(you)效功(gong)率(lv)密度提高，有(you)利于(yu)進(jin)一步提高焊速和減小(xiao)焊縫及(ji)熱(re)影(ying)響區寬度。四(si)周帶有(you)多個小(xiao)孔(kong)(kong)的(de)噴嘴(zui)（圖(tu)5-17c)可使(shi)等(deng)(deng)離子弧(hu)在噴嘴(zui)外(wai)得到(dao)二次壓縮，用(yong)于(yu)切割(ge)，有(you)利于(yu)進(jin)一步提高等(deng)(deng)離子弧(hu)挺度及(ji)切口質量；但(dan)過多的(de)小(xiao)孔(kong)(kong)易受(shou)金屬飛濺物(wu)堵塞而失去(qu)其有(you)利作用(yong)并造(zao)成不利的(de)等(deng)(deng)離子弧(hu)偏轉，因此并未得到(dao)廣泛應(ying)用(yong)。

2. 噴嘴(zui)的(de)材(cai)料和冷卻

等(deng)離子弧焊(han)的(de)噴(pen)嘴應采(cai)用(yong)導熱性(xing)良好的(de)紫銅(tong)制成(cheng)，大(da)功(gong)(gong)率（電流）噴(pen)嘴還必須采(cai)用(yong)直接水冷(leng)，并保證冷(leng)卻(que)水有足夠(gou)的(de)流量和壓力，最好配備專用(yong)高(gao)壓冷(leng)卻(que)裝置。大(da)功(gong)(gong)率等(deng)離子弧焊(han)槍應采(cai)用(yong)循環的(de)高(gao)壓蒸(zheng)餾水直接冷(leng)卻(que)槍體，冷(leng)卻(que)水再經熱交(jiao)換(huan)器散熱后循環使(shi)用(yong)。為(wei)了提高(gao)冷(leng)卻(que)效果，噴(pen)嘴的(de)壁(bi)厚一般在2mm~2.5mm之間。