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(zi)弧的特性
1. 靜態特(te)性
等離子弧的靜(jing)態特(te)性仍然(ran)呈U型曲線，但具有(you)以下(xia)特(te)點：
a. 由于冷壁噴(pen)嘴的拘束作用使弧(hu)(hu)柱橫截面積受到限制(zhi)，弧(hu)(hu)柱電場強度增大，電弧(hu)(hu)電壓明顯提高，U型(xing)特性的平(ping)直區較自(zi)由電弧(hu)(hu)明顯縮(suo)小。
b. 拘束孔道的尺寸(cun)和形狀對靜特性有明顯的影響(xiang)，噴嘴(zui)孔徑越小，U型特性平直區域就越小，上升段(duan)斜率增大(da)，即弧柱電(dian)場(chang)強度增大(da)。
c. 離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)氣的種類(lei)和流量不同(tong)時，弧(hu)柱的電場(chang)強度將有(you)明顯(xian)變化(hua)。因此，用于等離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)焊(han)的電源空(kong)載電壓應按所用等離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)氣種類(lei)而定。
d. 如果采(cai)用聯合型等離子弧(hu)，轉移(yi)弧(hu)U型特性下降區(qu)段斜率明顯減小，這是由(you)于非轉移(yi)弧(hu)的存在(zai)為轉移(yi)弧(hu)提(ti)供了(le)導電通路之故(gu)。因此小電流微束等離子弧(hu)常采(cai)用混合型弧(hu)，以提(ti)高其穩定性。
2. 熱源特(te)性(xing)
a. 溫度和能量密度
等離(li)(li)子弧(hu)(hu)的弧(hu)(hu)柱溫度(du)高(gao)(gao)，能量(liang)密度(du)大。從圖5-9和圖5-10可以(yi)看出，等離(li)(li)子弧(hu)(hu)對焊(han)件(jian)加(jia)熱集中，熔(rong)透力強，焊(han)接時速度(du)要比(bi)氬弧(hu)(hu)焊(han)快得多，從而可提高(gao)(gao)焊(han)接生產(chan)效(xiao)率。普通(tong)鎢(wu)極(ji)氬弧(hu)(hu)的最高(gao)(gao)溫度(du)為10000K~24000K,能量(liang)密度(du)小于10kW/c㎡;而等離(li)(li)子弧(hu)(hu)的溫度(du)可高(gao)(gao)達24000K~50000K,能量(liang)密度(du)可達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此，等離子弧(hu)焊(han)的焊(han)縫截(jie)面形狀較窄，深(shen)寬比(bi)大，無疑焊(han)件變形就小。等離子弧(hu)焊(han)和(he)鎢極氬弧(hu)焊(han)深(shen)寬比(bi)比(bi)較見(jian)圖5-11。
等離子弧溫(wen)度(du)和(he)能(neng)量(liang)密度(du)高的原因是：
①. 水冷噴嘴(zui)孔徑限定(ding)了弧(hu)柱橫截面積不能自由(you)擴(kuo)大，這種(zhong)拘(ju)束作(zuo)用(yong)(yong)稱(cheng)為機械壓縮作(zuo)用(yong)(yong)。
②. 噴嘴(zui)水(shui)冷(leng)(leng)作(zuo)用使(shi)靠近(jin)噴嘴(zui)內壁(bi)的(de)氣體(ti)也受到強(qiang)烈的(de)冷(leng)(leng)卻作(zuo)用，并且溫度(du)和電(dian)(dian)離度(du)均(jun)迅速下(xia)降，迫使(shi)弧柱(zhu)區(qu)電(dian)(dian)流集中(zhong)到弧柱(zhu)中(zhong)心(xin)的(de)高(gao)溫高(gao)電(dian)(dian)離度(du)區(qu)。這(zhe)樣由于冷(leng)(leng)壁(bi)而在弧柱(zhu)四周(zhou)產(chan)生一(yi)層電(dian)(dian)離度(du)趨近(jin)于零的(de)冷(leng)(leng)氣膜，從而使(shi)弧柱(zhu)有效橫截面進(jin)一(yi)步(bu)減小，電(dian)(dian)流密(mi)度(du)進(jin)一(yi)步(bu)提高(gao)。這(zhe)種使(shi)弧柱(zhu)溫度(du)和能(neng)量密(mi)度(du)提高(gao)的(de)作(zuo)用通常又稱為(wei)熱收縮效應。
③. 由于以(yi)上兩個收(shou)縮效(xiao)應的(de)存(cun)在(zai)，弧柱電流(liu)密(mi)度增大以(yi)后，弧柱電流(liu)線之間(jian)的(de)電磁收(shou)縮作用(yong)也進一步(bu)增強(qiang)，致使弧柱溫度和能量密(mi)度進一步(bu)提(ti)高。以(yi)上3個因素中，噴(pen)嘴機械拘束是(shi)前提(ti)條件，而(er)熱收(shou)縮則是(shi)最本(ben)質的(de)原因。
等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)溫(wen)度(du)和能量密(mi)度(du)的(de)顯著(zhu)提(ti)高，弧(hu)柱近似(si)于(yu)圓柱形(xing)，使等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)的(de)穩(wen)定性和挺(ting)直度(du)變得更好。自由電(dian)弧(hu)（如鎢(wu)極氬弧(hu)焊）的(de)擴散角約為(wei)(wei)45°,等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)擴散角約為(wei)(wei)5°(圖5-12),這是(shi)因為(wei)(wei)壓縮后(hou)從噴(pen)嘴(zui)口噴(pen)射出(chu)的(de)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)帶電(dian)質點(dian)運動速(su)度(du)明(ming)顯提(ti)高所致，速(su)度(du)最高可(ke)達300m/s(跟噴(pen)嘴(zui)結構、離(li)(li)子(zi)氣種類和流量有關）。
圖(tu)5-13是等離(li)(li)子(zi)弧(hu)焊(han)(han)和鎢(wu)極氬弧(hu)焊(han)(han)時(shi)，弧(hu)長(chang)(chang)波(bo)動時(shi)對(dui)焊(han)(han)縫熔(rong)深的(de)(de)影(ying)響。當等離(li)(li)子(zi)弧(hu)長(chang)(chang)（實際上是噴嘴(zui)端(duan)面到焊(han)(han)件表面的(de)(de)距離(li)(li)）從(cong)(cong)3mm增大(da)到8mm時(shi)，對(dui)焊(han)(han)縫熔(rong)深幾乎不產(chan)生影(ying)響；而(er)鎢(wu)極氬弧(hu)孤長(chang)(chang)從(cong)(cong)1.5mm增大(da)到2.5mm時(shi)，焊(han)(han)縫的(de)(de)熔(rong)深就明顯下降(jiang)。
b. 熱源成分
普通鎢極氬弧(hu)焊(han)(han)中，加熱(re)焊(han)(han)件的熱(re)量主(zhu)要來(lai)源(yuan)于陽(yang)極斑點，弧(hu)柱輻射熱(re)和(he)(he)傳(chuan)(chuan)導熱(re)僅(jin)起輔助作用(yong)。在等離(li)子弧(hu)焊(han)(han)中，情(qing)況(kuang)則有(you)變化(hua)，弧(hu)柱高速等離(li)子體通過(guo)接(jie)觸傳(chuan)(chuan)導和(he)(he)輻射帶給焊(han)(han)件的熱(re)量明顯增(zeng)加，甚至可(ke)能成為(wei)主(zhu)要的熱(re)量來(lai)源(yuan)，而(er)陽(yang)極熱(re)則降為(wei)次要地位(wei)。
3. 等(deng)離子弧的基本形式(shi)
等(deng)離子弧按(an)電源(yuan)的接法和(he)產(chan)生形式的不(bu)同，可分為轉(zhuan)移型、非轉(zhuan)移型和(he)聯合型3種基本形式，如圖5-14所示。
a. 轉移型等(deng)離(li)子(zi)弧
等(deng)離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)是(shi)在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)工件(jian)(jian)之(zhi)間(jian)燃燒，但由于(yu)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)內縮于(yu)等(deng)離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)噴嘴(zui)內，難(nan)以直接形成(cheng)等(deng)離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)，所以必(bi)須先在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)水(shui)冷(leng)噴嘴(zui)之(zhi)間(jian)引燃電(dian)(dian)弧(hu)（水(shui)冷(leng)噴嘴(zui)既是(shi)電(dian)(dian)弧(hu)的(de)一極(ji)(ji)(ji)(ji)，又起著冷(leng)壁拘束電(dian)(dian)弧(hu)的(de)作用(yong)(yong)），再(zai)轉(zhuan)移為電(dian)(dian)弧(hu)在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)與(yu)(yu)(yu)工件(jian)(jian)之(zhi)間(jian)燃燒。這種(zhong)借(jie)助于(yu)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)與(yu)(yu)(yu)水(shui)冷(leng)噴嘴(zui)再(zai)轉(zhuan)移為電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)與(yu)(yu)(yu)工件(jian)(jian)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)(dian)弧(hu)稱為轉(zhuan)移弧(hu)（圖5-14a).由于(yu)轉(zhuan)移型等(deng)離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)的(de)陽(yang)極(ji)(ji)(ji)(ji)斑點(dian)處(chu)于(yu)工件(jian)(jian)上，直接加熱(re)(re)工件(jian)(jian)，使電(dian)(dian)弧(hu)熱(re)(re)量的(de)有效利(li)用(yong)(yong)率提高，同時轉(zhuan)移型等(deng)離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)具有很高的(de)動能(neng)和(he)沖擊力，特別適合于(yu)焊接。
b. 非轉移型(xing)等離子弧(hu)
電(dian)源(yuan)接于電(dian)極(ji)和噴嘴之間，工件(jian)不接入焊接回路，鎢極(ji)為陰極(ji)，噴嘴為陽極(ji)，等離子(zi)弧(hu)在電(dian)極(ji)和水冷(leng)噴嘴之間引(yin)燃電(dian)弧(hu)（水冷(leng)噴嘴既(ji)是電(dian)弧(hu)的一極(ji)，又起著冷(leng)壁(bi)拘束電(dian)弧(hu)的作用(yong)）噴出，形成的等離子(zi)弧(hu)稱為非轉移型等離子(zi)弧(hu)，又叫等離子(zi)焰，見(jian)圖5-14b。
因為非(fei)轉移型等離子(zi)弧對工件的(de)加熱是間(jian)接的(de)，傳到工件上的(de)熱量較少(shao)，只適用于焊接薄板和等離子(zi)噴(pen)涂(tu)，這里(li)就不再(zai)詳細(xi)介(jie)紹(shao)。
c. 聯合型等離子弧
轉(zhuan)移型等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)和非轉(zhuan)移型等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)同時存在的等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)，稱為聯合(he)型等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)，如圖5-14c所(suo)示。這種等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)焊很少(shao)采用，這里就(jiu)不再詳細介紹(shao)。
二、等離子(zi)弧(hu)焊設(she)備
1. 焊接電源(yuan)
具有下降(jiang)或垂直陡降(jiang)特性的直流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)（與(yu)鎢極氬(ya)弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)的電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)相(xiang)同）都可供等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)使用。用純氬(ya)氣(qi)做離(li)子(zi)氣(qi)時(shi)，電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)空載(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓只需65V~80V;用氬(ya)＋氫混合氣(qi)做離(li)子(zi)氣(qi)時(shi)，電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)空載(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓需110V~120V.若無合適的專用電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，可用兩臺普通直流(liu)弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)串聯(lian)使用。大電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)都采用轉(zhuan)移(yi)型弧(hu)(hu)(hu)，用高頻引燃非轉(zhuan)移(yi)弧(hu)(hu)(hu)，然(ran)后(hou)轉(zhuan)移(yi)成轉(zhuan)移(yi)弧(hu)(hu)(hu)。因此，一般可以采用一臺焊(han)(han)接電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，用串接電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)的方法向電(dian)(dian)(dian)(dian)極和水冷(leng)噴嘴回(hui)路提供產生非轉(zhuan)移(yi)弧(hu)(hu)(hu)所需要的較低電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，見(jian)圖5-14a。
2. 引弧裝置
等離(li)子弧(hu)焊(han)(han)的引弧(hu)裝(zhuang)(zhuang)置與鎢極氬弧(hu)焊(han)(han)的引弧(hu)裝(zhuang)(zhuang)置基本相同(tong)。
3. 控制(zhi)系統(tong)
使用(yong)兩套(tao)電(dian)(dian)源時，需能分別調節非轉(zhuan)移(yi)弧和(he)轉(zhuan)移(yi)弧的(de)電(dian)(dian)流，其余與鎢極氬弧焊類似(si)。遇復雜(za)情況(kuang)，還需能控制(zhi)離子(zi)氣的(de)遞增和(he)衰減(jian)。
4. 氣路(lu)(lu)和水(shui)路(lu)(lu)
等離(li)子(zi)弧焊(han)(han)供氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統的(de)氣(qi)(qi)(qi)路(lu)要(yao)(yao)比鎢極氬弧焊(han)(han)復雜，見圖(tu)5-15。等離(li)子(zi)弧焊(han)(han)如采用混(hun)氫混(hun)合(he)氣(qi)(qi)(qi)體時，必須保證供氣(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)危險。在供氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統中(zhong)，要(yao)(yao)有氣(qi)(qi)(qi)流匯流裝置進行(xing)均(jun)(jun)流，均(jun)(jun)勻(yun)地將(jiang)氣(qi)(qi)(qi)分(fen)配給(gei)各路(lu)氣(qi)(qi)(qi)路(lu)；還要(yao)(yao)有貯氣(qi)(qi)(qi)筒(tong)，對離(li)子(zi)氣(qi)(qi)(qi)進行(xing)緩(huan)沖。衰(shuai)減氣(qi)(qi)(qi)閥(fa)對結(jie)束焊(han)(han)接時的(de)氣(qi)(qi)(qi)流進行(xing)衰(shuai)減。
等(deng)離子弧焊的(de)(de)水(shui)路(lu)與鎢極氬弧焊的(de)(de)水(shui)路(lu)相同。
5. 焊槍
等離子(zi)弧(hu)(hu)焊槍要比鎢極(ji)氬焊焊槍復雜、精密得多(duo)，其中最主要的部件(jian)是離子(zi)弧(hu)(hu)噴嘴(zui)和保證(zheng)鎢極(ji)與等離子(zi)噴嘴(zui)同心(xin)的裝置。某型號300A等離子(zi)弧(hu)(hu)焊槍結(jie)構見圖5-16。
三、等離子(zi)弧焊(han)槍的噴(pen)嘴
等(deng)離子(zi)弧(hu)焊(han)槍的噴嘴是產(chan)生等(deng)離子(zi)弧(hu)的關鍵部件，它的設(she)計(ji)是否合理，對(dui)保(bao)證等(deng)離子(zi)弧(hu)的穩定、正常工作以(yi)及焊(han)接質量具有決定性作用。
1. 噴嘴的主要(yao)結構(gou)參數（圖5-17)
a. 噴(pen)嘴孔徑(jing)d
噴嘴孔(kong)徑(jing)d,它(ta)決(jue)定(ding)(ding)等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)直徑(jing)的(de)(de)大(da)小。噴嘴孔(kong)徑(jing)d決(jue)定(ding)(ding)了應使(shi)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)焊接(jie)電(dian)(dian)流(liu)和離(li)子氣流(liu)量，也可以(yi)依據焊接(jie)電(dian)(dian)流(liu)和離(li)子氣流(liu)量先擇噴嘴孔(kong)徑(jing)d的(de)(de)大(da)小。總(zong)之，d越大(da)則壓(ya)縮作用(yong)(yong)(yong)越小，當d過于大(da)對則無(wu)壓(ya)縮效果；而(er)d過小時，則會引(yin)起(qi)雙弧(hu)(hu)（圖(tu)5-47),破壞(huai)了等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)的(de)(de)穩(wen)定(ding)(ding)性。因此，對于給定(ding)(ding)的(de)(de)d值，有一個合理(li)的(de)(de)焊接(jie)電(dian)(dian)流(liu)使(shi)用(yong)(yong)(yong)范圍。表5-2列(lie)出了常用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)某型號噴嘴孔(kong)徑(jing)d及其焊接(jie)電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)使(shi)用(yong)(yong)(yong)范圍，供參考。
b. 噴嘴孔(kong)長(chang)度(du)L
當(dang)噴嘴(zui)孔(kong)徑d給定(ding)時，噴嘴(zui)孔(kong)長度（深度）L的增(zeng)加，則壓(ya)縮作用(yong)加強。常以L/d表示(shi)噴嘴(zui)孔(kong)道(dao)壓(ya)縮特征(zheng)，稱之為孔(kong)道(dao)比（表5-3).
c. 錐角 α
錐角(jiao)(jiao)(jiao)α又稱壓(ya)(ya)縮角(jiao)(jiao)(jiao)，實(shi)際上(shang)它對(dui)等離子(zi)弧壓(ya)(ya)縮狀(zhuang)態影(ying)響不(bu)大，特別(bie)是當離子(zi)氣流量(liang)較小(xiao)，L/d較小(xiao)時(shi)。但(dan)壓(ya)(ya)縮角(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)時(shi)，能增(zeng)強對(dui)電弧的(de)壓(ya)(ya)縮作(zuo)用。一般(ban)應注(zhu)意和(he)鎢極端部形狀(zhuang)相配(pei)合，以利于(yu)陰極斑點置于(yu)鎢極頂端而不(bu)上(shang)漂(piao)。常用的(de)壓(ya)(ya)縮角(jiao)(jiao)(jiao)α值為60°~75°。
d. 壓縮通(tong)道的形狀
多數噴(pen)(pen)嘴(zui)采(cai)用(yong)圓柱形壓縮(suo)通道(dao)，但也有(you)采(cai)用(yong)圓錐(zhui)形、臺階圓柱形等擴散型(xing)噴(pen)(pen)嘴(zui)。這類(lei)噴(pen)(pen)嘴(zui)降低(di)了壓縮(suo)程(cheng)度(du)，有(you)利于提高等離子(zi)弧的穩定性(xing)和噴(pen)(pen)嘴(zui)使(shi)用(yong)壽命(ming)。擴散型(xing)噴(pen)(pen)嘴(zui)結構見圖5-18。
除(chu)了單孔(kong)型（圖5-17a)噴(pen)嘴(zui)外，還有(you)多孔(kong)型噴(pen)嘴(zui)。例如(ru)，兩(liang)側帶有(you)2個輔助小孔(kong)的(de)焊接噴(pen)嘴(zui)（圖5-17b),可(ke)使(shi)(shi)等離子(zi)弧(hu)的(de)橫截面由圓形(xing)(xing)變為(wei)橢圓形(xing)(xing)，使(shi)(shi)熱源有(you)效功率密度提高(gao)，有(you)利(li)于(yu)(yu)進一步提高(gao)焊速和(he)減(jian)小焊縫及熱影響(xiang)區寬(kuan)度。四周帶有(you)多個小孔(kong)的(de)噴(pen)嘴(zui)（圖5-17c)可(ke)使(shi)(shi)等離子(zi)弧(hu)在噴(pen)嘴(zui)外得(de)到二(er)次壓(ya)縮(suo)，用(yong)于(yu)(yu)切割，有(you)利(li)于(yu)(yu)進一步提高(gao)等離子(zi)弧(hu)挺度及切口(kou)質量；但過多的(de)小孔(kong)易受(shou)金屬飛濺物堵塞(sai)而失去(qu)其有(you)利(li)作用(yong)并造(zao)成不利(li)的(de)等離子(zi)弧(hu)偏轉，因此并未得(de)到廣泛應用(yong)。
2. 噴嘴(zui)的(de)材料(liao)和冷卻(que)
等離子弧焊的(de)噴嘴(zui)(zui)應采(cai)用導熱性良好的(de)紫銅制成，大功(gong)率(lv)（電流）噴嘴(zui)(zui)還必(bi)須采(cai)用直接水(shui)冷，并保證冷卻(que)水(shui)有足夠的(de)流量和(he)壓(ya)力，最(zui)好配備專用高(gao)(gao)壓(ya)冷卻(que)裝置。大功(gong)率(lv)等離子弧焊槍應采(cai)用循環(huan)的(de)高(gao)(gao)壓(ya)蒸(zheng)餾水(shui)直接冷卻(que)槍體(ti)，冷卻(que)水(shui)再經熱交換(huan)器散熱后循環(huan)使用。為了(le)提高(gao)(gao)冷卻(que)效果，噴嘴(zui)(zui)的(de)壁厚(hou)一般在(zai)2mm~2.5mm之間。
