等離子弧焊通常由用 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、等離子弧的特(te)性(xing)

1. 靜態特性

 等離(li)子弧(hu)的靜態特性仍然呈U型曲線，但具(ju)有(you)以下特點：

  a. 由于冷壁(bi)噴嘴的拘束作用(yong)使(shi)弧柱(zhu)橫截面(mian)積受(shou)到(dao)限制，弧柱(zhu)電(dian)場強度增大，電(dian)弧電(dian)壓明顯提高，U型特性(xing)的平(ping)直區較自由電(dian)弧明顯縮小。

  b. 拘束孔道的尺(chi)寸(cun)和(he)形狀對靜特(te)性(xing)有明顯的影響，噴嘴孔徑越小，U型特(te)性(xing)平直區(qu)域(yu)就(jiu)越小，上升段斜率增(zeng)大，即(ji)弧(hu)柱電場強(qiang)度增(zeng)大。

  c. 離(li)子氣的(de)(de)種(zhong)(zhong)類和(he)流量不同時，弧柱的(de)(de)電(dian)(dian)場(chang)強(qiang)度將有明(ming)顯變化。因此(ci)，用(yong)于等(deng)離(li)子弧焊(han)的(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)空載電(dian)(dian)壓應(ying)按所(suo)用(yong)等(deng)離(li)子氣種(zhong)(zhong)類而定。

  d. 如果(guo)采(cai)(cai)用聯(lian)合(he)型等(deng)(deng)離子(zi)弧(hu)，轉移(yi)(yi)弧(hu)U型特性(xing)下(xia)降區段斜(xie)率(lv)明顯減小(xiao)，這是由于非轉移(yi)(yi)弧(hu)的(de)存(cun)在為(wei)轉移(yi)(yi)弧(hu)提供(gong)了導電通路之故。因(yin)此(ci)小(xiao)電流微束等(deng)(deng)離子(zi)弧(hu)常采(cai)(cai)用混合(he)型弧(hu)，以(yi)提高其(qi)穩定性(xing)。

2. 熱源特性

  a. 溫度和(he)能量密度

   等離(li)子弧(hu)的弧(hu)柱溫(wen)度(du)(du)高，能量密度(du)(du)大。從(cong)圖5-9和圖5-10可(ke)以看出，等離(li)子弧(hu)對焊(han)件加(jia)熱(re)集中，熔透力強，焊(han)接時速(su)度(du)(du)要比氬弧(hu)焊(han)快得多，從(cong)而可(ke)提高焊(han)接生產效率。普通鎢極氬弧(hu)的最高溫(wen)度(du)(du)為(wei)10000K~24000K,能量密度(du)(du)小于10kW/c㎡;而等離(li)子弧(hu)的溫(wen)度(du)(du)可(ke)高達24000K~50000K,能量密度(du)(du)可(ke)達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.

   因此，等離(li)(li)子弧焊(han)(han)(han)的(de)焊(han)(han)(han)縫截(jie)面形狀較(jiao)窄(zhai)，深寬比大，無(wu)疑焊(han)(han)(han)件變(bian)形就小。等離(li)(li)子弧焊(han)(han)(han)和鎢極氬弧焊(han)(han)(han)深寬比比較(jiao)見圖5-11。

  等離子弧溫度(du)和能量密度(du)高的原因是：

   ①. 水冷噴嘴孔徑限定了弧柱橫截面積(ji)不(bu)能(neng)自由擴大，這(zhe)種拘束(shu)作(zuo)用稱(cheng)為機械壓(ya)縮作(zuo)用。

   ②. 噴嘴(zui)水(shui)冷(leng)作(zuo)用(yong)使(shi)(shi)靠近(jin)噴嘴(zui)內壁(bi)的(de)氣(qi)體也受到(dao)強烈的(de)冷(leng)卻作(zuo)用(yong)，并且溫度(du)(du)和(he)電(dian)離度(du)(du)均(jun)迅速(su)下降，迫使(shi)(shi)弧(hu)柱區(qu)電(dian)流(liu)集中到(dao)弧(hu)柱中心的(de)高溫高電(dian)離度(du)(du)區(qu)。這樣(yang)由(you)于冷(leng)壁(bi)而在弧(hu)柱四周產生一(yi)(yi)層(ceng)電(dian)離度(du)(du)趨近(jin)于零的(de)冷(leng)氣(qi)膜，從(cong)而使(shi)(shi)弧(hu)柱有效橫截面進一(yi)(yi)步(bu)(bu)減小(xiao)，電(dian)流(liu)密度(du)(du)進一(yi)(yi)步(bu)(bu)提(ti)高。這種使(shi)(shi)弧(hu)柱溫度(du)(du)和(he)能量(liang)密度(du)(du)提(ti)高的(de)作(zuo)用(yong)通常又稱為熱收縮效應。

  ③. 由于以(yi)上兩(liang)個(ge)收(shou)縮(suo)效應的(de)存在(zai)，弧柱(zhu)電流(liu)密(mi)度(du)增大以(yi)后，弧柱(zhu)電流(liu)線之間的(de)電磁(ci)收(shou)縮(suo)作用也進一步增強，致(zhi)使弧柱(zhu)溫度(du)和能量密(mi)度(du)進一步提高。以(yi)上3個(ge)因(yin)(yin)素(su)中，噴嘴機械拘束是前提條件，而熱收(shou)縮(suo)則是最本質的(de)原因(yin)(yin)。

  等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)溫度(du)和(he)能量密度(du)的顯(xian)著提高，弧(hu)(hu)柱近(jin)似于圓柱形，使(shi)等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)的穩(wen)定性和(he)挺(ting)直度(du)變(bian)得更好。自由電弧(hu)(hu)（如鎢(wu)極氬(ya)弧(hu)(hu)焊）的擴散角約(yue)為45°,等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)擴散角約(yue)為5°(圖5-12),這是因為壓縮后從噴(pen)嘴(zui)口噴(pen)射出的等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)帶電質點(dian)運動速度(du)明顯(xian)提高所(suo)致，速度(du)最高可達300m/s(跟噴(pen)嘴(zui)結構、離子(zi)(zi)氣種類和(he)流量有關）。

  圖5-13是等(deng)離(li)子弧(hu)焊(han)和鎢極(ji)氬弧(hu)焊(han)時(shi)(shi)，弧(hu)長(chang)波動時(shi)(shi)對(dui)焊(han)縫(feng)熔(rong)深(shen)的影(ying)響。當等(deng)離(li)子弧(hu)長(chang)（實際上是噴(pen)嘴端面到焊(han)件表(biao)面的距(ju)離(li)）從3mm增大到8mm時(shi)(shi)，對(dui)焊(han)縫(feng)熔(rong)深(shen)幾乎不產生影(ying)響；而鎢極(ji)氬弧(hu)孤長(chang)從1.5mm增大到2.5mm時(shi)(shi)，焊(han)縫(feng)的熔(rong)深(shen)就明顯下降。

 b. 熱源成分(fen)

  普(pu)通鎢極氬弧(hu)焊中，加熱焊件的熱量主(zhu)(zhu)要來(lai)源于陽(yang)極斑點，弧(hu)柱輻射(she)熱和傳(chuan)導(dao)熱僅起輔助作(zuo)用(yong)。在等(deng)離子弧(hu)焊中，情況(kuang)則(ze)有變化(hua)，弧(hu)柱高速等(deng)離子體通過(guo)接(jie)觸傳(chuan)導(dao)和輻射(she)帶給焊件的熱量明顯增加，甚至可能成(cheng)為主(zhu)(zhu)要的熱量來(lai)源，而陽(yang)極熱則(ze)降為次要地(di)位(wei)。

3. 等離子弧的(de)基本形式

 等離子弧按電(dian)源的(de)接(jie)法和(he)產(chan)生形式(shi)的(de)不同，可分為轉移型、非轉移型和(he)聯合型3種基(ji)本形式(shi)，如圖5-14所(suo)示。

  a. 轉移(yi)型(xing)等離(li)子弧(hu)

  等(deng)離(li)(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)是(shi)在(zai)電(dian)(dian)(dian)極和工(gong)件(jian)之(zhi)間燃燒，但由于(yu)電(dian)(dian)(dian)極內縮(suo)于(yu)等(deng)離(li)(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)噴嘴內，難(nan)以(yi)直接形(xing)成(cheng)等(deng)離(li)(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)，所(suo)以(yi)必(bi)須先在(zai)電(dian)(dian)(dian)極和水(shui)冷(leng)噴嘴之(zhi)間引燃電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)（水(shui)冷(leng)噴嘴既是(shi)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)的(de)一極，又起著冷(leng)壁(bi)拘束(shu)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)的(de)作(zuo)用），再(zai)轉(zhuan)移(yi)(yi)為(wei)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)在(zai)電(dian)(dian)(dian)極與(yu)工(gong)件(jian)之(zhi)間燃燒。這種借助于(yu)電(dian)(dian)(dian)極與(yu)水(shui)冷(leng)噴嘴再(zai)轉(zhuan)移(yi)(yi)為(wei)電(dian)(dian)(dian)極與(yu)工(gong)件(jian)之(zhi)間的(de)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)稱(cheng)為(wei)轉(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)(hu)（圖5-14a).由于(yu)轉(zhuan)移(yi)(yi)型等(deng)離(li)(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)的(de)陽(yang)極斑點處于(yu)工(gong)件(jian)上，直接加熱工(gong)件(jian)，使電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)熱量的(de)有效(xiao)利(li)用率提高，同時(shi)轉(zhuan)移(yi)(yi)型等(deng)離(li)(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)具有很高的(de)動能(neng)和沖擊力，特別適合于(yu)焊接。

  b. 非(fei)轉移型等離子弧(hu)

  電(dian)源(yuan)接(jie)于電(dian)極(ji)(ji)(ji)和噴嘴(zui)之(zhi)間，工件不(bu)接(jie)入焊接(jie)回路，鎢極(ji)(ji)(ji)為陰極(ji)(ji)(ji)，噴嘴(zui)為陽極(ji)(ji)(ji)，等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)在電(dian)極(ji)(ji)(ji)和水冷(leng)噴嘴(zui)之(zhi)間引燃電(dian)弧(hu)（水冷(leng)噴嘴(zui)既是電(dian)弧(hu)的一極(ji)(ji)(ji)，又(you)起(qi)著冷(leng)壁拘束(shu)電(dian)弧(hu)的作(zuo)用）噴出，形成的等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)稱(cheng)為非轉移型等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)，又(you)叫等(deng)離(li)子(zi)(zi)焰，見圖5-14b。

  因(yin)為非轉移型等離子弧對(dui)工件(jian)的加熱是(shi)間接的，傳(chuan)到工件(jian)上的熱量(liang)較少，只適用于焊(han)接薄(bo)板(ban)和等離子噴涂，這里就不再詳細介紹。

 c. 聯合型等離(li)子弧

 轉移型等(deng)(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)和非轉移型等(deng)(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)同時存在的等(deng)(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)，稱(cheng)為聯合型等(deng)(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)，如圖5-14c所(suo)示。這種等(deng)(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)焊很少(shao)采用，這里就(jiu)不再(zai)詳細介紹。

二、等離子弧焊設備

1. 焊接電源

具有下降或垂直(zhi)(zhi)陡(dou)降特(te)性的(de)直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)（與鎢(wu)極氬(ya)弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)的(de)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)相同(tong)）都(dou)可(ke)(ke)供等離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)使(shi)用(yong)(yong)(yong)。用(yong)(yong)(yong)純(chun)氬(ya)氣做離子(zi)氣時，電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)空載電(dian)(dian)(dian)壓只需65V~80V;用(yong)(yong)(yong)氬(ya)＋氫混合(he)氣做離子(zi)氣時，電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)空載電(dian)(dian)(dian)壓需110V~120V.若無合(he)適的(de)專用(yong)(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)，可(ke)(ke)用(yong)(yong)(yong)兩(liang)臺普通直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)串聯使(shi)用(yong)(yong)(yong)。大電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)等離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)都(dou)采(cai)用(yong)(yong)(yong)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)型弧(hu)(hu)(hu)，用(yong)(yong)(yong)高頻引燃(ran)非轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)，然(ran)后轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)成轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)。因此，一(yi)般可(ke)(ke)以采(cai)用(yong)(yong)(yong)一(yi)臺焊(han)(han)接電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)，用(yong)(yong)(yong)串接電(dian)(dian)(dian)阻的(de)方法向電(dian)(dian)(dian)極和水冷(leng)噴嘴回路提供產生非轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)所需要的(de)較低電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，見(jian)圖5-14a。

2. 引弧裝置

 等(deng)離(li)子弧(hu)焊的引弧(hu)裝(zhuang)(zhuang)置與鎢極(ji)氬(ya)弧(hu)焊的引弧(hu)裝(zhuang)(zhuang)置基本相同。

3. 控制系統

使(shi)用兩套(tao)電源時(shi)，需能(neng)分別調節非轉移(yi)弧和轉移(yi)弧的(de)電流，其余與(yu)鎢極(ji)氬弧焊類似(si)。遇(yu)復雜(za)情況(kuang)，還需能(neng)控制(zhi)離子氣的(de)遞增和衰減。

4. 氣路和水(shui)路

 等離子(zi)(zi)弧焊供氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系統的氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)路(lu)要比鎢極(ji)氬弧焊復雜，見圖5-15。等離子(zi)(zi)弧焊如采用混氫混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體時，必須(xu)保證供氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系統中(zhong)不能漏氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，否則會有(you)引(yin)起爆炸的危險。在供氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系統中(zhong)，要有(you)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)流匯(hui)流裝置進行均流，均勻地將氣(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(tong)，對離子(zi)(zi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)進行緩沖。衰減氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)閥對結(jie)束焊接時的氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)流進行衰減。

 等離子弧(hu)焊的水路(lu)與鎢極(ji)氬弧(hu)焊的水路(lu)相(xiang)同。

5. 焊(han)槍

 等(deng)離子(zi)弧焊(han)槍要比(bi)鎢極(ji)(ji)氬焊(han)焊(han)槍復雜、精(jing)密得多(duo)，其中最主(zhu)要的部件是離子(zi)弧噴嘴(zui)和保證(zheng)鎢極(ji)(ji)與等(deng)離子(zi)噴嘴(zui)同心的裝置。某型號300A等(deng)離子(zi)弧焊(han)槍結構(gou)見圖5-16。

三、等離子弧焊槍的噴嘴

 等(deng)離子弧(hu)(hu)焊(han)槍(qiang)的(de)噴嘴是(shi)產生等(deng)離子弧(hu)(hu)的(de)關鍵部件，它的(de)設計是(shi)否合理，對保證等(deng)離子弧(hu)(hu)的(de)穩定(ding)、正常(chang)工作以及焊(han)接質量具有決定(ding)性作用(yong)。

1. 噴嘴(zui)的主要結構參數（圖(tu)5-17)

  a. 噴嘴孔徑d

   噴(pen)嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑d,它決定(ding)等離(li)(li)子弧(hu)直徑的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)。噴(pen)嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑d決定(ding)了(le)應使(shi)(shi)用的(de)(de)焊接電(dian)流(liu)和(he)離(li)(li)子氣流(liu)量(liang)，也可以依(yi)據焊接電(dian)流(liu)和(he)離(li)(li)子氣流(liu)量(liang)先擇噴(pen)嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑d的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)。總之(zhi)，d越大(da)(da)則壓(ya)縮作用越小(xiao)，當d過于大(da)(da)對(dui)則無(wu)壓(ya)縮效果；而d過小(xiao)時，則會引起雙弧(hu)（圖5-47),破壞了(le)等離(li)(li)子弧(hu)的(de)(de)穩定(ding)性。因此，對(dui)于給定(ding)的(de)(de)d值，有(you)一個合(he)理的(de)(de)焊接電(dian)流(liu)使(shi)(shi)用范圍。表5-2列出了(le)常用的(de)(de)某(mou)型號噴(pen)嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑d及其焊接電(dian)流(liu)的(de)(de)使(shi)(shi)用范圍，供參考。

  b. 噴嘴孔(kong)長度L

 當噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)孔徑d給定(ding)時，噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)孔長度(du)（深度(du)）L的增加(jia)，則(ze)壓(ya)縮(suo)作用加(jia)強。常以(yi)L/d表(biao)示噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)孔道(dao)(dao)壓(ya)縮(suo)特征(zheng)，稱之為孔道(dao)(dao)比（表(biao)5-3).

  c. 錐角 α

   錐(zhui)角α又稱壓(ya)縮(suo)角，實際(ji)上它(ta)對(dui)等離(li)(li)子弧壓(ya)縮(suo)狀態影響不大，特別是當(dang)離(li)(li)子氣(qi)流量較(jiao)(jiao)小(xiao)(xiao)，L/d較(jiao)(jiao)小(xiao)(xiao)時(shi)。但壓(ya)縮(suo)角小(xiao)(xiao)時(shi)，能(neng)增強對(dui)電弧的壓(ya)縮(suo)作(zuo)用(yong)。一般應注意和(he)鎢極(ji)端部形狀相配合(he)，以利于陰極(ji)斑點置于鎢極(ji)頂端而(er)不上漂。常用(yong)的壓(ya)縮(suo)角α值為(wei)60°~75°。

 d. 壓(ya)縮通道的形狀

 多數噴(pen)嘴采(cai)用(yong)圓(yuan)(yuan)柱(zhu)形(xing)壓(ya)縮(suo)通道，但也有(you)采(cai)用(yong)圓(yuan)(yuan)錐形(xing)、臺階(jie)圓(yuan)(yuan)柱(zhu)形(xing)等擴散型(xing)噴(pen)嘴。這類(lei)噴(pen)嘴降低了壓(ya)縮(suo)程度(du)，有(you)利于提高等離子弧的穩定性和噴(pen)嘴使用(yong)壽命。擴散型(xing)噴(pen)嘴結構見圖5-18。

 除了單孔(kong)型（圖(tu)5-17a)噴(pen)(pen)(pen)嘴(zui)外(wai)，還(huan)有(you)多(duo)孔(kong)型噴(pen)(pen)(pen)嘴(zui)。例(li)如，兩側(ce)帶有(you)2個(ge)輔助小孔(kong)的焊(han)接噴(pen)(pen)(pen)嘴(zui)（圖(tu)5-17b),可使(shi)等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)的橫截面由圓(yuan)形變為橢圓(yuan)形，使(shi)熱(re)源(yuan)有(you)效功率密度(du)提高，有(you)利(li)(li)于(yu)(yu)(yu)進一步提高焊(han)速和減小焊(han)縫及熱(re)影(ying)響區寬度(du)。四周(zhou)帶有(you)多(duo)個(ge)小孔(kong)的噴(pen)(pen)(pen)嘴(zui)（圖(tu)5-17c)可使(shi)等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)在噴(pen)(pen)(pen)嘴(zui)外(wai)得到(dao)二次壓縮，用(yong)于(yu)(yu)(yu)切割，有(you)利(li)(li)于(yu)(yu)(yu)進一步提高等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)挺度(du)及切口質量(liang)；但過多(duo)的小孔(kong)易受金屬飛濺物堵塞(sai)而(er)失去其有(you)利(li)(li)作用(yong)并(bing)(bing)造成(cheng)不利(li)(li)的等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)偏(pian)轉(zhuan)，因此(ci)并(bing)(bing)未得到(dao)廣泛應用(yong)。

2. 噴嘴的材料和冷卻

等離(li)子弧焊的(de)(de)噴嘴應(ying)采用(yong)導熱性良好的(de)(de)紫銅制成，大(da)(da)功率（電流(liu)）噴嘴還必須采用(yong)直(zhi)接(jie)水(shui)冷(leng)，并保證冷(leng)卻(que)水(shui)有足夠(gou)的(de)(de)流(liu)量和壓(ya)力，最好配備專用(yong)高壓(ya)冷(leng)卻(que)裝置。大(da)(da)功率等離(li)子弧焊槍應(ying)采用(yong)循環的(de)(de)高壓(ya)蒸餾(liu)水(shui)直(zhi)接(jie)冷(leng)卻(que)槍體，冷(leng)卻(que)水(shui)再經熱交換器散熱后循環使用(yong)。為了提高冷(leng)卻(que)效果，噴嘴的(de)(de)壁厚一般(ban)在2mm~2.5mm之間。