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(yi)、等離子弧(hu)的(de)特(te)性

1. 靜態特性

 等離(li)子弧的靜態(tai)特性仍然呈U型曲線(xian)，但具有以下(xia)特點：

  a. 由于冷壁噴(pen)嘴的(de)拘束作用(yong)使(shi)弧(hu)柱(zhu)橫(heng)截面(mian)積受到限制，弧(hu)柱(zhu)電(dian)場(chang)強(qiang)度增大，電(dian)弧(hu)電(dian)壓明(ming)(ming)顯(xian)提高，U型特性(xing)的(de)平直區(qu)較自(zi)由電(dian)弧(hu)明(ming)(ming)顯(xian)縮小。

  b. 拘束孔(kong)道的尺寸和形(xing)狀(zhuang)對(dui)靜特(te)(te)性有(you)明顯的影響，噴嘴孔(kong)徑(jing)越(yue)小，U型(xing)特(te)(te)性平直區域就(jiu)越(yue)小，上升段斜率增(zeng)大，即弧柱電場強度增(zeng)大。

  c. 離子氣的(de)(de)種類(lei)和流(liu)量不(bu)同時，弧(hu)柱的(de)(de)電(dian)場強度(du)將有明顯(xian)變(bian)化。因此，用于等離子弧(hu)焊(han)的(de)(de)電(dian)源(yuan)空(kong)載(zai)電(dian)壓應按所用等離子氣種類(lei)而定。

  d. 如果采用聯合(he)型(xing)等(deng)離子弧，轉(zhuan)移(yi)(yi)弧U型(xing)特性下降區段斜率(lv)明顯減小(xiao)(xiao)，這是(shi)由于非轉(zhuan)移(yi)(yi)弧的存在為轉(zhuan)移(yi)(yi)弧提(ti)供了導電通路之故。因此小(xiao)(xiao)電流(liu)微(wei)束等(deng)離子弧常(chang)采用混合(he)型(xing)弧，以提(ti)高其穩定性。

2. 熱(re)源特(te)性

  a. 溫度和能量密度

   等離子(zi)弧的弧柱溫(wen)度高，能量密(mi)度大。從圖(tu)5-9和圖(tu)5-10可(ke)(ke)以看出，等離子(zi)弧對焊(han)(han)件加熱(re)集(ji)中，熔透力強，焊(han)(han)接(jie)時(shi)速度要(yao)比氬弧焊(han)(han)快得多，從而可(ke)(ke)提高焊(han)(han)接(jie)生產效率。普通(tong)鎢(wu)極氬弧的最(zui)高溫(wen)度為10000K~24000K,能量密(mi)度小于10kW/c㎡;而等離子(zi)弧的溫(wen)度可(ke)(ke)高達24000K~50000K,能量密(mi)度可(ke)(ke)達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.

   因此，等(deng)離子(zi)弧(hu)焊(han)(han)(han)的焊(han)(han)(han)縫截面形(xing)狀較窄，深寬比大，無疑(yi)焊(han)(han)(han)件變形(xing)就小。等(deng)離子(zi)弧(hu)焊(han)(han)(han)和鎢極氬弧(hu)焊(han)(han)(han)深寬比比較見圖5-11。

  等離子(zi)弧(hu)溫度和能量密度高的(de)原(yuan)因是：

   ①. 水冷噴嘴(zui)孔徑(jing)限定了弧柱(zhu)橫截(jie)面積(ji)不能自由擴大，這種(zhong)拘束作用(yong)稱為(wei)機械壓(ya)縮作用(yong)。

   ②. 噴嘴水冷(leng)作(zuo)用使(shi)靠近噴嘴內壁(bi)的氣體也受到(dao)強烈的冷(leng)卻作(zuo)用，并且溫度(du)(du)和電(dian)(dian)(dian)離度(du)(du)均迅(xun)速下降，迫使(shi)弧柱(zhu)區電(dian)(dian)(dian)流集中(zhong)到(dao)弧柱(zhu)中(zhong)心的高(gao)溫高(gao)電(dian)(dian)(dian)離度(du)(du)區。這(zhe)樣由于冷(leng)壁(bi)而在弧柱(zhu)四周(zhou)產生一層(ceng)電(dian)(dian)(dian)離度(du)(du)趨近于零的冷(leng)氣膜，從而使(shi)弧柱(zhu)有(you)效橫截面進一步(bu)減(jian)小(xiao)，電(dian)(dian)(dian)流密(mi)度(du)(du)進一步(bu)提高(gao)。這(zhe)種使(shi)弧柱(zhu)溫度(du)(du)和能量密(mi)度(du)(du)提高(gao)的作(zuo)用通常又稱為熱(re)收縮效應(ying)。

  ③. 由于以上(shang)(shang)兩個收縮效(xiao)應的(de)存在，弧(hu)(hu)柱電流密度(du)增大以后(hou)，弧(hu)(hu)柱電流線之間的(de)電磁(ci)收縮作(zuo)用也進一步增強，致使(shi)弧(hu)(hu)柱溫度(du)和能量密度(du)進一步提(ti)高。以上(shang)(shang)3個因(yin)素中，噴嘴機械拘束(shu)是前提(ti)條件，而熱收縮則是最本(ben)質的(de)原因(yin)。

  等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)溫(wen)度(du)(du)和(he)能量密度(du)(du)的顯著提高(gao)，弧(hu)柱(zhu)近似于圓柱(zhu)形，使(shi)等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)的穩定性和(he)挺直度(du)(du)變得更好。自由電弧(hu)（如鎢極(ji)氬弧(hu)焊）的擴散角約(yue)為(wei)45°,等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)擴散角約(yue)為(wei)5°(圖(tu)5-12),這是因為(wei)壓(ya)縮后(hou)從噴(pen)嘴口(kou)噴(pen)射出的等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)帶電質點運動速(su)度(du)(du)明(ming)顯提高(gao)所致(zhi)，速(su)度(du)(du)最高(gao)可達300m/s(跟噴(pen)嘴結(jie)構、離(li)子(zi)氣種類(lei)和(he)流量有關(guan)）。

  圖5-13是(shi)等(deng)離子弧(hu)焊(han)和鎢極(ji)氬弧(hu)焊(han)時，弧(hu)長波動時對(dui)焊(han)縫熔(rong)深的(de)影響(xiang)。當等(deng)離子弧(hu)長（實際上是(shi)噴嘴端(duan)面到焊(han)件表面的(de)距(ju)離）從(cong)3mm增大(da)到8mm時，對(dui)焊(han)縫熔(rong)深幾(ji)乎不產生(sheng)影響(xiang)；而鎢極(ji)氬弧(hu)孤長從(cong)1.5mm增大(da)到2.5mm時，焊(han)縫的(de)熔(rong)深就明顯下降。

 b. 熱源成(cheng)分(fen)

  普通鎢極(ji)氬弧焊(han)中，加熱(re)焊(han)件(jian)的熱(re)量(liang)主(zhu)(zhu)要(yao)來源(yuan)于(yu)陽極(ji)斑點，弧柱輻射熱(re)和傳(chuan)導熱(re)僅起輔助作用。在等離子(zi)弧焊(han)中，情況(kuang)則有變化，弧柱高速(su)等離子(zi)體通過接觸傳(chuan)導和輻射帶給焊(han)件(jian)的熱(re)量(liang)明顯增加，甚至可(ke)能成為主(zhu)(zhu)要(yao)的熱(re)量(liang)來源(yuan)，而陽極(ji)熱(re)則降為次要(yao)地位。

3. 等離子弧的基本形式

 等離(li)子弧按電(dian)源的接(jie)法和產生形式(shi)的不同(tong)，可分為(wei)轉(zhuan)移型、非轉(zhuan)移型和聯合型3種基本形式(shi)，如圖5-14所(suo)示。

  a. 轉(zhuan)移型等(deng)離子(zi)弧

  等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)是在(zai)(zai)電(dian)(dian)極和工(gong)件(jian)(jian)之間(jian)(jian)燃燒，但由(you)于(yu)電(dian)(dian)極內縮于(yu)等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)噴嘴(zui)(zui)(zui)內，難以直接(jie)(jie)(jie)形成等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)，所以必須先在(zai)(zai)電(dian)(dian)極和水(shui)冷(leng)噴嘴(zui)(zui)(zui)之間(jian)(jian)引(yin)燃電(dian)(dian)弧(hu)(hu)（水(shui)冷(leng)噴嘴(zui)(zui)(zui)既是電(dian)(dian)弧(hu)(hu)的(de)一極，又起著冷(leng)壁拘束(shu)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)的(de)作用(yong)），再(zai)轉(zhuan)移為(wei)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)在(zai)(zai)電(dian)(dian)極與工(gong)件(jian)(jian)之間(jian)(jian)燃燒。這種借助(zhu)于(yu)電(dian)(dian)極與水(shui)冷(leng)噴嘴(zui)(zui)(zui)再(zai)轉(zhuan)移為(wei)電(dian)(dian)極與工(gong)件(jian)(jian)之間(jian)(jian)的(de)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)稱為(wei)轉(zhuan)移弧(hu)(hu)（圖5-14a).由(you)于(yu)轉(zhuan)移型等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)的(de)陽極斑點處于(yu)工(gong)件(jian)(jian)上，直接(jie)(jie)(jie)加熱工(gong)件(jian)(jian)，使電(dian)(dian)弧(hu)(hu)熱量(liang)的(de)有(you)效利用(yong)率提高，同時(shi)轉(zhuan)移型等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)具有(you)很高的(de)動能和沖擊力，特別(bie)適合(he)于(yu)焊(han)接(jie)(jie)(jie)。

  b. 非轉移型等離子(zi)弧

  電(dian)源接于(yu)電(dian)極(ji)和噴(pen)(pen)嘴(zui)之間(jian)，工件不接入(ru)焊接回路(lu)，鎢極(ji)為陰極(ji)，噴(pen)(pen)嘴(zui)為陽(yang)極(ji)，等(deng)(deng)離(li)子弧(hu)在電(dian)極(ji)和水冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)嘴(zui)之間(jian)引燃電(dian)弧(hu)（水冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)嘴(zui)既是電(dian)弧(hu)的(de)(de)一極(ji)，又(you)起著(zhu)冷(leng)(leng)壁拘束電(dian)弧(hu)的(de)(de)作用）噴(pen)(pen)出，形成的(de)(de)等(deng)(deng)離(li)子弧(hu)稱為非轉移(yi)型等(deng)(deng)離(li)子弧(hu)，又(you)叫等(deng)(deng)離(li)子焰(yan)，見圖5-14b。

  因為非轉移(yi)型等離子弧對工件(jian)的(de)(de)(de)加熱是間接的(de)(de)(de)，傳到工件(jian)上的(de)(de)(de)熱量較少，只(zhi)適用于焊接薄板和等離子噴涂，這里就不再(zai)詳細(xi)介紹。

 c. 聯合型等離子弧(hu)

 轉移(yi)型(xing)等離子(zi)(zi)(zi)弧和非(fei)轉移(yi)型(xing)等離子(zi)(zi)(zi)弧同時存在的等離子(zi)(zi)(zi)弧，稱(cheng)為(wei)聯(lian)合(he)型(xing)等離子(zi)(zi)(zi)弧，如圖5-14c所(suo)示(shi)。這種等離子(zi)(zi)(zi)弧焊很(hen)少采(cai)用，這里(li)就不再詳細(xi)介紹(shao)。

二、等(deng)離子弧焊設備

1. 焊接電(dian)源

具(ju)有下降或垂直(zhi)(zhi)陡降特性(xing)的(de)直(zhi)(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)（與鎢(wu)極氬(ya)(ya)弧(hu)(hu)焊(han)的(de)電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)相同）都可供(gong)等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)焊(han)使用(yong)(yong)。用(yong)(yong)純氬(ya)(ya)氣(qi)做離(li)子(zi)(zi)氣(qi)時，電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)空載電(dian)壓只需65V~80V;用(yong)(yong)氬(ya)(ya)＋氫(qing)混合氣(qi)做離(li)子(zi)(zi)氣(qi)時，電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)空載電(dian)壓需110V~120V.若無合適的(de)專用(yong)(yong)電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)，可用(yong)(yong)兩(liang)臺普通直(zhi)(zhi)流(liu)弧(hu)(hu)焊(han)電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)串(chuan)聯使用(yong)(yong)。大(da)電(dian)流(liu)等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)焊(han)都采用(yong)(yong)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)型弧(hu)(hu)，用(yong)(yong)高(gao)頻引燃非(fei)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)(hu)，然后轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)成(cheng)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)(hu)。因此，一(yi)(yi)般可以(yi)采用(yong)(yong)一(yi)(yi)臺焊(han)接電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)，用(yong)(yong)串(chuan)接電(dian)阻的(de)方法向(xiang)電(dian)極和水冷噴嘴回路提供(gong)產生非(fei)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)(hu)所需要的(de)較低電(dian)流(liu)，見圖5-14a。

2. 引(yin)弧裝(zhuang)置

 等離子弧(hu)焊的引(yin)弧(hu)裝(zhuang)置與(yu)鎢極(ji)氬弧(hu)焊的引(yin)弧(hu)裝(zhuang)置基本(ben)相同。

3. 控制(zhi)系(xi)統

使用兩套電(dian)(dian)源時，需能(neng)分別調節非轉(zhuan)移弧和(he)轉(zhuan)移弧的電(dian)(dian)流，其余與(yu)鎢極氬弧焊類(lei)似。遇復雜情況，還(huan)需能(neng)控制離(li)子氣的遞增(zeng)和(he)衰減(jian)。

4. 氣路(lu)和水路(lu)

 等離子弧(hu)焊供(gong)氣(qi)(qi)系(xi)(xi)(xi)統的(de)(de)氣(qi)(qi)路(lu)要比(bi)鎢極氬弧(hu)焊復雜，見(jian)圖5-15。等離子弧(hu)焊如采用(yong)混氫混合氣(qi)(qi)體時，必須保證(zheng)供(gong)氣(qi)(qi)系(xi)(xi)(xi)統中不(bu)能漏(lou)氣(qi)(qi)，否則會有(you)引起爆炸的(de)(de)危險。在供(gong)氣(qi)(qi)系(xi)(xi)(xi)統中，要有(you)氣(qi)(qi)流(liu)(liu)匯流(liu)(liu)裝置進(jin)行(xing)均(jun)流(liu)(liu)，均(jun)勻(yun)地將氣(qi)(qi)分配給各路(lu)氣(qi)(qi)路(lu)；還要有(you)貯氣(qi)(qi)筒，對離子氣(qi)(qi)進(jin)行(xing)緩沖。衰減(jian)氣(qi)(qi)閥對結束(shu)焊接時的(de)(de)氣(qi)(qi)流(liu)(liu)進(jin)行(xing)衰減(jian)。

 等(deng)離子弧(hu)焊的(de)水路(lu)與鎢極氬弧(hu)焊的(de)水路(lu)相同。

5. 焊槍

 等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)槍要(yao)比鎢(wu)(wu)極(ji)氬(ya)焊(han)焊(han)槍復雜、精密得多，其中最主要(yao)的部件是離(li)子(zi)弧(hu)噴嘴和保證鎢(wu)(wu)極(ji)與等(deng)離(li)子(zi)噴嘴同心的裝置(zhi)。某型號300A等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)槍結(jie)構(gou)見圖5-16。

三、等離子弧焊(han)槍的(de)噴嘴

 等離子弧(hu)焊(han)(han)槍的(de)噴嘴是產生等離子弧(hu)的(de)關鍵部件，它的(de)設計是否合理，對保證等離子弧(hu)的(de)穩定(ding)、正(zheng)常工作以及焊(han)(han)接質量具有(you)決定(ding)性作用。

1. 噴嘴的主(zhu)要結(jie)構參數（圖5-17)

  a. 噴嘴孔徑d

   噴嘴(zui)孔(kong)(kong)(kong)徑d,它決定等離(li)子(zi)弧直徑的(de)(de)大(da)小。噴嘴(zui)孔(kong)(kong)(kong)徑d決定了(le)(le)應使用(yong)的(de)(de)焊接(jie)電(dian)流和離(li)子(zi)氣流量，也可以依據焊接(jie)電(dian)流和離(li)子(zi)氣流量先擇(ze)噴嘴(zui)孔(kong)(kong)(kong)徑d的(de)(de)大(da)小。總之，d越大(da)則(ze)壓縮作用(yong)越小，當d過(guo)于大(da)對則(ze)無(wu)壓縮效果；而d過(guo)小時，則(ze)會引起雙弧（圖5-47),破壞(huai)了(le)(le)等離(li)子(zi)弧的(de)(de)穩定性。因此，對于給定的(de)(de)d值(zhi)，有一個合理的(de)(de)焊接(jie)電(dian)流使用(yong)范(fan)圍(wei)。表5-2列出(chu)了(le)(le)常用(yong)的(de)(de)某型號(hao)噴嘴(zui)孔(kong)(kong)(kong)徑d及(ji)其焊接(jie)電(dian)流的(de)(de)使用(yong)范(fan)圍(wei)，供參(can)考。

  b. 噴嘴孔(kong)長(chang)度L

 當噴嘴(zui)(zui)孔(kong)徑d給定時，噴嘴(zui)(zui)孔(kong)長(chang)度（深度）L的增加(jia)，則壓(ya)(ya)縮作(zuo)用加(jia)強。常以L/d表(biao)示噴嘴(zui)(zui)孔(kong)道壓(ya)(ya)縮特(te)征，稱(cheng)之(zhi)為孔(kong)道比（表(biao)5-3).

  c. 錐角 α

   錐角α又稱壓(ya)縮(suo)角，實(shi)際上它(ta)對等離子弧壓(ya)縮(suo)狀(zhuang)態影響不(bu)大，特別(bie)是(shi)當離子氣流(liu)量較小，L/d較小時。但壓(ya)縮(suo)角小時，能增強(qiang)對電弧的壓(ya)縮(suo)作用。一般應(ying)注意和鎢極端部形狀(zhuang)相配合，以(yi)利于陰極斑點(dian)置(zhi)于鎢極頂端而不(bu)上漂(piao)。常用的壓(ya)縮(suo)角α值為60°~75°。

 d. 壓縮通道的(de)形狀

 多數噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)采用(yong)(yong)圓柱形(xing)壓縮通道，但也有(you)采用(yong)(yong)圓錐形(xing)、臺(tai)階圓柱形(xing)等擴散型噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)。這類噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)降低了壓縮程度，有(you)利于(yu)提高等離子弧的穩定性和噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)使(shi)用(yong)(yong)壽命。擴散型噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)結(jie)構見圖(tu)5-18。

 除了單孔(kong)(kong)型（圖5-17a)噴(pen)嘴外，還有(you)(you)多孔(kong)(kong)型噴(pen)嘴。例如，兩側帶有(you)(you)2個輔助小孔(kong)(kong)的(de)焊(han)接噴(pen)嘴（圖5-17b),可(ke)使(shi)(shi)等(deng)離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)的(de)橫截面(mian)由(you)圓(yuan)形變為(wei)橢圓(yuan)形，使(shi)(shi)熱(re)源(yuan)有(you)(you)效功(gong)率密度提(ti)高，有(you)(you)利(li)于(yu)進一步提(ti)高焊(han)速和減小焊(han)縫及(ji)(ji)熱(re)影響區寬度。四周帶有(you)(you)多個小孔(kong)(kong)的(de)噴(pen)嘴（圖5-17c)可(ke)使(shi)(shi)等(deng)離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)在(zai)噴(pen)嘴外得(de)到二次(ci)壓縮，用(yong)于(yu)切割，有(you)(you)利(li)于(yu)進一步提(ti)高等(deng)離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)挺度及(ji)(ji)切口質(zhi)量；但過多的(de)小孔(kong)(kong)易(yi)受金(jin)屬飛濺物堵(du)塞(sai)而(er)失去其(qi)有(you)(you)利(li)作用(yong)并(bing)造成不利(li)的(de)等(deng)離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)偏轉，因此(ci)并(bing)未(wei)得(de)到廣泛應用(yong)。

2. 噴嘴的材料和冷(leng)卻

等(deng)離(li)子弧焊(han)的(de)噴嘴應采用(yong)(yong)導熱(re)性良好的(de)紫(zi)銅制(zhi)成，大功率(lv)（電流(liu)(liu)）噴嘴還必(bi)須采用(yong)(yong)直接水冷(leng)，并(bing)保證(zheng)冷(leng)卻水有足夠的(de)流(liu)(liu)量(liang)和壓力，最(zui)好配備專用(yong)(yong)高壓冷(leng)卻裝置(zhi)。大功率(lv)等(deng)離(li)子弧焊(han)槍應采用(yong)(yong)循環(huan)的(de)高壓蒸餾水直接冷(leng)卻槍體，冷(leng)卻水再經熱(re)交換(huan)器(qi)散熱(re)后循環(huan)使用(yong)(yong)。為了提高冷(leng)卻效果(guo)，噴嘴的(de)壁厚一般在(zai)2mm~2.5mm之間。