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(deng)離(li)子弧的特性
1. 靜態特性(xing)
等離子弧的靜態特性仍(reng)然呈U型曲線，但具(ju)有以下特點：
a. 由于冷(leng)壁噴嘴的拘束作(zuo)用使弧柱橫截面(mian)積受到限(xian)制，弧柱電(dian)場強度增大，電(dian)弧電(dian)壓明顯提高，U型(xing)特性的平直區(qu)較自由電(dian)弧明顯縮小。
b. 拘束(shu)孔(kong)道的(de)尺寸和形(xing)狀對靜(jing)特(te)性(xing)(xing)有明(ming)顯的(de)影響，噴嘴孔(kong)徑越小，U型特(te)性(xing)(xing)平直區(qu)域就越小，上升段斜率增(zeng)大，即弧柱(zhu)電(dian)場強度增(zeng)大。
c. 離(li)子(zi)氣(qi)的種類和流量不同時，弧柱的電場強(qiang)度將有明顯變化(hua)。因此(ci)，用于等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧焊的電源空載(zai)電壓(ya)應按(an)所(suo)用等(deng)(deng)離(li)子(zi)氣(qi)種類而(er)定。
d. 如(ru)果采用聯合(he)型等離子弧，轉(zhuan)(zhuan)移弧U型特(te)性下降(jiang)區(qu)段斜(xie)率明顯減(jian)小，這是(shi)由于非轉(zhuan)(zhuan)移弧的存在為(wei)轉(zhuan)(zhuan)移弧提(ti)供(gong)了導電(dian)通(tong)路之故。因(yin)此小電(dian)流微束(shu)等離子弧常采用混合(he)型弧，以提(ti)高其穩(wen)定性。
2. 熱(re)源特性
a. 溫度(du)和(he)能(neng)量密度(du)
等(deng)離(li)子弧(hu)的弧(hu)柱溫度(du)(du)高，能量密度(du)(du)大。從圖(tu)5-9和圖(tu)5-10可(ke)以(yi)看出，等(deng)離(li)子弧(hu)對焊件(jian)加(jia)熱集(ji)中，熔(rong)透力強，焊接時速度(du)(du)要比氬(ya)弧(hu)焊快(kuai)得多，從而可(ke)提高焊接生產效率。普通鎢極(ji)氬(ya)弧(hu)的最高溫度(du)(du)為10000K~24000K,能量密度(du)(du)小于10kW/c㎡;而等(deng)離(li)子弧(hu)的溫度(du)(du)可(ke)高達24000K~50000K,能量密度(du)(du)可(ke)達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此(ci)，等(deng)離子弧焊(han)的(de)焊(han)縫截(jie)面形狀(zhuang)較窄，深寬(kuan)比(bi)大(da)，無疑焊(han)件變形就小。等(deng)離子弧焊(han)和鎢(wu)極(ji)氬弧焊(han)深寬(kuan)比(bi)比(bi)較見(jian)圖(tu)5-11。
等(deng)離子弧溫度和能(neng)量密(mi)度高的原因是：
①. 水冷噴(pen)嘴孔徑限定了(le)弧柱橫(heng)截面積不能自由擴(kuo)大，這(zhe)種拘束作用(yong)稱為機械壓縮(suo)作用(yong)。
②. 噴嘴(zui)水冷(leng)作用使(shi)靠(kao)近噴嘴(zui)內壁(bi)(bi)的(de)(de)氣體也(ye)受到(dao)強烈的(de)(de)冷(leng)卻作用，并且(qie)溫(wen)(wen)度(du)和電(dian)離度(du)均(jun)迅速下降(jiang)，迫使(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)區電(dian)流集(ji)中到(dao)弧(hu)(hu)柱(zhu)中心的(de)(de)高溫(wen)(wen)高電(dian)離度(du)區。這樣由于冷(leng)壁(bi)(bi)而(er)(er)在弧(hu)(hu)柱(zhu)四周(zhou)產生一層電(dian)離度(du)趨近于零(ling)的(de)(de)冷(leng)氣膜，從(cong)而(er)(er)使(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)有效橫截面進(jin)一步減小，電(dian)流密(mi)度(du)進(jin)一步提高。這種使(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)溫(wen)(wen)度(du)和能量密(mi)度(du)提高的(de)(de)作用通常又(you)稱為熱收縮(suo)效應。
③. 由(you)于以上兩個收(shou)縮效應(ying)的存(cun)在，弧柱電(dian)流(liu)密(mi)(mi)度(du)增大以后，弧柱電(dian)流(liu)線之(zhi)間(jian)的電(dian)磁收(shou)縮作用也進一步(bu)增強，致使弧柱溫(wen)度(du)和能量密(mi)(mi)度(du)進一步(bu)提高。以上3個因素中，噴嘴機械拘束是前提條件，而熱收(shou)縮則是最(zui)本質的原因。
等離子(zi)弧溫度(du)(du)(du)和能量密度(du)(du)(du)的(de)顯(xian)著(zhu)提高，弧柱(zhu)近(jin)似于圓(yuan)柱(zhu)形，使等離子(zi)弧的(de)穩(wen)定性(xing)和挺直度(du)(du)(du)變得更好。自由(you)電(dian)(dian)弧（如鎢極氬弧焊）的(de)擴(kuo)散(san)角約為(wei)45°,等離子(zi)弧擴(kuo)散(san)角約為(wei)5°(圖5-12),這是因為(wei)壓縮(suo)后從(cong)噴嘴口噴射出(chu)的(de)等離子(zi)弧帶電(dian)(dian)質點運動速度(du)(du)(du)明(ming)顯(xian)提高所致，速度(du)(du)(du)最高可達300m/s(跟噴嘴結構、離子(zi)氣種(zhong)類(lei)和流(liu)量有關）。
圖5-13是等(deng)離(li)子弧焊(han)(han)和鎢極氬弧焊(han)(han)時，弧長(chang)波(bo)動時對焊(han)(han)縫熔(rong)深的(de)影響。當等(deng)離(li)子弧長(chang)（實(shi)際上是噴嘴端面(mian)(mian)到焊(han)(han)件表面(mian)(mian)的(de)距(ju)離(li)）從3mm增大到8mm時，對焊(han)(han)縫熔(rong)深幾乎(hu)不產生影響；而鎢極氬弧孤長(chang)從1.5mm增大到2.5mm時，焊(han)(han)縫的(de)熔(rong)深就(jiu)明顯下降。
b. 熱源(yuan)成(cheng)分(fen)
普(pu)通鎢極氬弧(hu)焊中(zhong)，加熱(re)(re)焊件的(de)熱(re)(re)量(liang)主要來(lai)源于陽極斑點，弧(hu)柱(zhu)輻(fu)射熱(re)(re)和傳導(dao)熱(re)(re)僅起輔助作用。在等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊中(zhong)，情況則有變化，弧(hu)柱(zhu)高速等(deng)離(li)子(zi)體通過接觸傳導(dao)和輻(fu)射帶給(gei)焊件的(de)熱(re)(re)量(liang)明顯(xian)增(zeng)加，甚至可能(neng)成為主要的(de)熱(re)(re)量(liang)來(lai)源，而陽極熱(re)(re)則降(jiang)為次要地位。
3. 等離子弧的基本形式
等離子弧(hu)按電源(yuan)的接(jie)法(fa)和(he)(he)產生形式(shi)的不(bu)同(tong)，可分(fen)為轉(zhuan)(zhuan)移型、非轉(zhuan)(zhuan)移型和(he)(he)聯合型3種基本形式(shi)，如圖5-14所(suo)示(shi)。
a. 轉移型等離(li)子弧
等離子弧(hu)(hu)(hu)是在(zai)電(dian)極(ji)和工(gong)(gong)件(jian)(jian)之(zhi)間(jian)燃燒(shao)，但由(you)于電(dian)極(ji)內(nei)縮(suo)于等離子弧(hu)(hu)(hu)噴(pen)(pen)嘴(zui)內(nei)，難以(yi)直接(jie)形(xing)成(cheng)等離子弧(hu)(hu)(hu)，所以(yi)必須先在(zai)電(dian)極(ji)和水(shui)冷噴(pen)(pen)嘴(zui)之(zhi)間(jian)引燃電(dian)弧(hu)(hu)(hu)（水(shui)冷噴(pen)(pen)嘴(zui)既是電(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)一極(ji)，又起(qi)著冷壁拘束電(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)作(zuo)用），再轉(zhuan)移(yi)為電(dian)弧(hu)(hu)(hu)在(zai)電(dian)極(ji)與(yu)工(gong)(gong)件(jian)(jian)之(zhi)間(jian)燃燒(shao)。這種借助(zhu)于電(dian)極(ji)與(yu)水(shui)冷噴(pen)(pen)嘴(zui)再轉(zhuan)移(yi)為電(dian)極(ji)與(yu)工(gong)(gong)件(jian)(jian)之(zhi)間(jian)的(de)(de)電(dian)弧(hu)(hu)(hu)稱為轉(zhuan)移(yi)弧(hu)(hu)(hu)（圖5-14a).由(you)于轉(zhuan)移(yi)型(xing)等離子弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)陽(yang)極(ji)斑點處(chu)于工(gong)(gong)件(jian)(jian)上，直接(jie)加熱工(gong)(gong)件(jian)(jian)，使電(dian)弧(hu)(hu)(hu)熱量的(de)(de)有效利用率提高，同時轉(zhuan)移(yi)型(xing)等離子弧(hu)(hu)(hu)具(ju)有很(hen)高的(de)(de)動能和沖擊力(li)，特別適合(he)于焊接(jie)。
b. 非轉移(yi)型(xing)等離子弧
電(dian)(dian)源接(jie)(jie)于電(dian)(dian)極(ji)和噴(pen)(pen)嘴(zui)之間，工(gong)件不接(jie)(jie)入焊(han)接(jie)(jie)回(hui)路，鎢(wu)極(ji)為(wei)陰(yin)極(ji)，噴(pen)(pen)嘴(zui)為(wei)陽極(ji)，等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)在(zai)電(dian)(dian)極(ji)和水冷(leng)噴(pen)(pen)嘴(zui)之間引燃電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)（水冷(leng)噴(pen)(pen)嘴(zui)既是電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)的一極(ji)，又起著冷(leng)壁(bi)拘束電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)的作(zuo)用(yong)）噴(pen)(pen)出，形成的等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)稱為(wei)非轉移(yi)型等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)，又叫等離(li)子(zi)焰，見圖5-14b。
因為非(fei)轉移型等(deng)離子弧對工(gong)件的加熱是間接(jie)的，傳到工(gong)件上的熱量較(jiao)少，只適用于(yu)焊接(jie)薄(bo)板和等(deng)離子噴涂，這里就不再詳(xiang)細介紹。
c. 聯合型(xing)等離子(zi)弧
轉移(yi)型等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)和非(fei)轉移(yi)型等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)同(tong)時存在的(de)等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)，稱為聯合型等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)，如圖5-14c所示(shi)。這種等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)焊很(hen)少(shao)采(cai)用，這里(li)就不再詳細介紹。
二、等離子弧焊設備(bei)
1. 焊接電源
具有下降或(huo)垂直(zhi)(zhi)(zhi)陡降特性的直(zhi)(zhi)(zhi)流電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)（與(yu)鎢(wu)極氬(ya)弧(hu)(hu)(hu)焊(han)的電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)相同）都可(ke)供(gong)(gong)等(deng)離子弧(hu)(hu)(hu)焊(han)使(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)。用(yong)(yong)(yong)(yong)純氬(ya)氣做離子氣時，電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)空載電(dian)(dian)(dian)(dian)壓只需65V~80V;用(yong)(yong)(yong)(yong)氬(ya)＋氫混(hun)合氣做離子氣時，電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)空載電(dian)(dian)(dian)(dian)壓需110V~120V.若無合適的專(zhuan)用(yong)(yong)(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，可(ke)用(yong)(yong)(yong)(yong)兩臺(tai)普通直(zhi)(zhi)(zhi)流弧(hu)(hu)(hu)焊(han)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)串聯使(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)。大電(dian)(dian)(dian)(dian)流等(deng)離子弧(hu)(hu)(hu)焊(han)都采用(yong)(yong)(yong)(yong)轉(zhuan)(zhuan)移型弧(hu)(hu)(hu)，用(yong)(yong)(yong)(yong)高頻(pin)引燃(ran)非轉(zhuan)(zhuan)移弧(hu)(hu)(hu)，然后轉(zhuan)(zhuan)移成(cheng)轉(zhuan)(zhuan)移弧(hu)(hu)(hu)。因此，一般(ban)可(ke)以(yi)采用(yong)(yong)(yong)(yong)一臺(tai)焊(han)接電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，用(yong)(yong)(yong)(yong)串接電(dian)(dian)(dian)(dian)阻的方法向電(dian)(dian)(dian)(dian)極和水冷噴嘴回路提(ti)供(gong)(gong)產(chan)生非轉(zhuan)(zhuan)移弧(hu)(hu)(hu)所需要的較低電(dian)(dian)(dian)(dian)流，見圖5-14a。
2. 引弧裝(zhuang)置
等離子弧(hu)(hu)焊(han)的(de)(de)引弧(hu)(hu)裝置與(yu)鎢極氬(ya)弧(hu)(hu)焊(han)的(de)(de)引弧(hu)(hu)裝置基(ji)本相同。
3. 控制系統(tong)
使用(yong)兩套電源時，需能分別調節非轉移弧(hu)和轉移弧(hu)的電流，其余與鎢極氬弧(hu)焊類似。遇復雜情況，還需能控制離子氣的遞增(zeng)和衰減。
4. 氣路和水路
等(deng)離子弧(hu)焊(han)(han)供氣(qi)(qi)系(xi)統的氣(qi)(qi)路要比(bi)鎢(wu)極氬弧(hu)焊(han)(han)復雜，見圖5-15。等(deng)離子弧(hu)焊(han)(han)如采用混氫(qing)混合氣(qi)(qi)體時，必須保證供氣(qi)(qi)系(xi)統中不能漏氣(qi)(qi)，否則會(hui)有引起爆炸的危險(xian)。在供氣(qi)(qi)系(xi)統中，要有氣(qi)(qi)流匯流裝置(zhi)進(jin)行均流，均勻(yun)地將氣(qi)(qi)分(fen)配(pei)給各路氣(qi)(qi)路；還(huan)要有貯氣(qi)(qi)筒，對離子氣(qi)(qi)進(jin)行緩沖。衰減(jian)氣(qi)(qi)閥對結束焊(han)(han)接時的氣(qi)(qi)流進(jin)行衰減(jian)。
等(deng)離子弧焊的(de)水(shui)路(lu)與鎢(wu)極(ji)氬弧焊的(de)水(shui)路(lu)相(xiang)同。
5. 焊槍
等(deng)離子(zi)弧焊槍要比鎢(wu)極氬焊焊槍復雜、精密(mi)得多，其中最主要的部件是(shi)離子(zi)弧噴嘴(zui)和保證(zheng)鎢(wu)極與等(deng)離子(zi)噴嘴(zui)同(tong)心的裝置。某型號300A等(deng)離子(zi)弧焊槍結構見圖5-16。
三、等離(li)子弧焊槍的噴嘴
等(deng)離(li)子弧焊槍(qiang)的噴嘴是產生等(deng)離(li)子弧的關鍵部件，它的設計是否(fou)合理，對保證(zheng)等(deng)離(li)子弧的穩(wen)定、正常工作(zuo)(zuo)以及焊接(jie)質量(liang)具(ju)有決定性作(zuo)(zuo)用。
1. 噴嘴的(de)主要(yao)結構(gou)參數(shu)（圖5-17)
a. 噴嘴(zui)孔徑d
噴(pen)(pen)嘴孔(kong)(kong)徑d,它決定(ding)等離子弧直徑的(de)大小(xiao)。噴(pen)(pen)嘴孔(kong)(kong)徑d決定(ding)了(le)應(ying)使(shi)用的(de)焊(han)(han)接(jie)電流(liu)和離子氣(qi)流(liu)量，也可(ke)以(yi)依據焊(han)(han)接(jie)電流(liu)和離子氣(qi)流(liu)量先(xian)擇噴(pen)(pen)嘴孔(kong)(kong)徑d的(de)大小(xiao)。總之(zhi)，d越大則壓縮作用越小(xiao)，當d過(guo)于(yu)大對(dui)則無(wu)壓縮效果(guo)；而d過(guo)小(xiao)時，則會引起(qi)雙弧（圖5-47),破壞了(le)等離子弧的(de)穩定(ding)性。因此(ci)，對(dui)于(yu)給(gei)定(ding)的(de)d值，有一個合理的(de)焊(han)(han)接(jie)電流(liu)使(shi)用范(fan)圍。表5-2列(lie)出了(le)常(chang)用的(de)某型號噴(pen)(pen)嘴孔(kong)(kong)徑d及其焊(han)(han)接(jie)電流(liu)的(de)使(shi)用范(fan)圍，供參考。
b. 噴嘴孔長度L
當噴(pen)(pen)嘴(zui)孔(kong)徑(jing)d給定時，噴(pen)(pen)嘴(zui)孔(kong)長度（深度）L的增加，則(ze)壓(ya)縮作(zuo)用加強(qiang)。常以L/d表示(shi)噴(pen)(pen)嘴(zui)孔(kong)道壓(ya)縮特(te)征(zheng)，稱之(zhi)為孔(kong)道比（表5-3).
c. 錐角(jiao) α
錐角α又稱壓縮(suo)角，實際上(shang)它對等離子弧(hu)壓縮(suo)狀(zhuang)態影(ying)響(xiang)不大，特別是當離子氣流量較小(xiao)，L/d較小(xiao)時(shi)(shi)。但壓縮(suo)角小(xiao)時(shi)(shi)，能增強對電弧(hu)的(de)壓縮(suo)作用(yong)。一般應(ying)注意(yi)和鎢極(ji)端部(bu)形狀(zhuang)相配合，以(yi)利于陰(yin)極(ji)斑點(dian)置(zhi)于鎢極(ji)頂端而不上(shang)漂。常(chang)用(yong)的(de)壓縮(suo)角α值(zhi)為60°~75°。
d. 壓縮通道(dao)的形狀
多數噴(pen)(pen)嘴采用(yong)圓(yuan)柱形壓(ya)縮(suo)通道，但也有采用(yong)圓(yuan)錐形、臺階圓(yuan)柱形等擴散(san)型噴(pen)(pen)嘴。這(zhe)類噴(pen)(pen)嘴降低了壓(ya)縮(suo)程(cheng)度，有利于提高等離子弧的穩定性和噴(pen)(pen)嘴使用(yong)壽(shou)命(ming)。擴散(san)型噴(pen)(pen)嘴結構見圖5-18。
除了單孔型(xing)（圖(tu)5-17a)噴嘴外，還有(you)(you)多孔型(xing)噴嘴。例如，兩(liang)側帶(dai)有(you)(you)2個輔助小孔的(de)焊(han)接噴嘴（圖(tu)5-17b),可(ke)使等離子弧(hu)的(de)橫截面由(you)圓形變為橢圓形，使熱(re)源有(you)(you)效功率密度(du)提高，有(you)(you)利(li)于(yu)進一(yi)步提高焊(han)速和減(jian)小焊(han)縫(feng)及熱(re)影響區寬度(du)。四周帶(dai)有(you)(you)多個小孔的(de)噴嘴（圖(tu)5-17c)可(ke)使等離子弧(hu)在噴嘴外得(de)到二次壓縮，用于(yu)切(qie)割，有(you)(you)利(li)于(yu)進一(yi)步提高等離子弧(hu)挺度(du)及切(qie)口(kou)質量(liang)；但過多的(de)小孔易受金屬飛濺物堵塞而失去其有(you)(you)利(li)作用并(bing)造成不利(li)的(de)等離子弧(hu)偏轉，因此(ci)并(bing)未得(de)到廣泛應用。
2. 噴嘴的材料和(he)冷卻
等離(li)子弧(hu)焊(han)的噴(pen)嘴(zui)應(ying)采用導熱性良好的紫銅制成(cheng)，大(da)功率(lv)（電流）噴(pen)嘴(zui)還必須采用直接水(shui)(shui)冷(leng)(leng)，并保(bao)證冷(leng)(leng)卻水(shui)(shui)有足夠的流量和(he)壓力(li)，最好配備專(zhuan)用高(gao)(gao)壓冷(leng)(leng)卻裝(zhuang)置。大(da)功率(lv)等離(li)子弧(hu)焊(han)槍應(ying)采用循(xun)環的高(gao)(gao)壓蒸餾水(shui)(shui)直接冷(leng)(leng)卻槍體，冷(leng)(leng)卻水(shui)(shui)再經熱交換器散熱后循(xun)環使(shi)用。為了提高(gao)(gao)冷(leng)(leng)卻效果，噴(pen)嘴(zui)的壁厚一般在2mm~2.5mm之間。
