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)、等離子弧的(de)特(te)性
1. 靜(jing)態(tai)特性
等離(li)子弧的靜態特性仍然呈U型曲線(xian)，但具有(you)以下(xia)特點：
a. 由于冷壁噴嘴的拘束作用使弧柱(zhu)橫(heng)截(jie)面積受(shou)到限制，弧柱(zhu)電(dian)場強(qiang)度增大，電(dian)弧電(dian)壓明顯(xian)(xian)提(ti)高(gao)，U型特性的平直區較自由電(dian)弧明顯(xian)(xian)縮小(xiao)。
b. 拘束孔道的尺寸和形狀(zhuang)對靜(jing)特(te)性有明(ming)顯(xian)的影響，噴嘴孔徑越(yue)小，U型特(te)性平直區域就(jiu)越(yue)小，上升段斜率(lv)增大，即弧柱電場強度增大。
c. 離子(zi)氣的種類(lei)和流量不同時，弧柱的電場強度將有明(ming)顯變化。因(yin)此，用(yong)于等(deng)離子(zi)弧焊的電源空(kong)載電壓應按所用(yong)等(deng)離子(zi)氣種類(lei)而定。
d. 如果采(cai)用(yong)聯(lian)合(he)型等離子(zi)弧(hu)，轉(zhuan)移弧(hu)U型特性下降區(qu)段斜率(lv)明(ming)顯減小，這是(shi)由于非轉(zhuan)移弧(hu)的(de)存在為轉(zhuan)移弧(hu)提(ti)供了(le)導電通路之故。因此小電流微(wei)束等離子(zi)弧(hu)常采(cai)用(yong)混(hun)合(he)型弧(hu)，以提(ti)高其穩定性。
2. 熱源特性
a. 溫度和能(neng)量密(mi)度
等離子(zi)弧(hu)的弧(hu)柱溫度高(gao)(gao)，能量(liang)密(mi)(mi)度大。從圖5-9和圖5-10可(ke)以看出，等離子(zi)弧(hu)對焊件(jian)加熱集中，熔透(tou)力強，焊接時速(su)度要比(bi)氬(ya)弧(hu)焊快得多，從而可(ke)提高(gao)(gao)焊接生產(chan)效率。普(pu)通鎢極氬(ya)弧(hu)的最高(gao)(gao)溫度為10000K~24000K,能量(liang)密(mi)(mi)度小于10kW/c㎡;而等離子(zi)弧(hu)的溫度可(ke)高(gao)(gao)達24000K~50000K,能量(liang)密(mi)(mi)度可(ke)達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因(yin)此，等離子弧(hu)焊(han)的焊(han)縫截面(mian)形狀(zhuang)較(jiao)窄，深寬(kuan)比(bi)大，無(wu)疑焊(han)件變形就小(xiao)。等離子弧(hu)焊(han)和鎢(wu)極氬弧(hu)焊(han)深寬(kuan)比(bi)比(bi)較(jiao)見圖5-11。
等離子弧溫度和能量密度高的原(yuan)因(yin)是：
①. 水(shui)冷噴嘴孔徑限(xian)定了弧柱(zhu)橫截面(mian)積(ji)不能自由擴大，這種(zhong)拘束(shu)作用稱為機械壓(ya)縮作用。
②. 噴嘴水(shui)冷作(zuo)用使(shi)(shi)靠近噴嘴內壁的氣(qi)體也受到(dao)強烈的冷卻作(zuo)用，并且溫度(du)和(he)電(dian)離度(du)均迅速下降，迫使(shi)(shi)弧(hu)柱(zhu)(zhu)區電(dian)流集(ji)中到(dao)弧(hu)柱(zhu)(zhu)中心的高(gao)(gao)(gao)溫高(gao)(gao)(gao)電(dian)離度(du)區。這樣由于冷壁而(er)在弧(hu)柱(zhu)(zhu)四周產(chan)生一(yi)層電(dian)離度(du)趨(qu)近于零的冷氣(qi)膜，從而(er)使(shi)(shi)弧(hu)柱(zhu)(zhu)有效(xiao)橫截面進一(yi)步(bu)減小(xiao)，電(dian)流密度(du)進一(yi)步(bu)提高(gao)(gao)(gao)。這種(zhong)使(shi)(shi)弧(hu)柱(zhu)(zhu)溫度(du)和(he)能量密度(du)提高(gao)(gao)(gao)的作(zuo)用通常又稱(cheng)為(wei)熱收縮效(xiao)應(ying)。
③. 由于(yu)以(yi)上兩個收(shou)(shou)(shou)縮(suo)效應的(de)存在，弧(hu)柱(zhu)電流密(mi)度增大以(yi)后，弧(hu)柱(zhu)電流線之間的(de)電磁收(shou)(shou)(shou)縮(suo)作(zuo)用也進一步增強，致(zhi)使弧(hu)柱(zhu)溫度和能量密(mi)度進一步提高。以(yi)上3個因素中，噴(pen)嘴機(ji)械拘束是(shi)前(qian)提條件，而(er)熱收(shou)(shou)(shou)縮(suo)則是(shi)最本質(zhi)的(de)原因。
等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)溫度(du)(du)和(he)(he)能(neng)量密(mi)度(du)(du)的顯著提(ti)高，弧(hu)(hu)(hu)柱近似于圓柱形(xing)，使等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)的穩(wen)定性和(he)(he)挺直度(du)(du)變(bian)得更好。自由電(dian)弧(hu)(hu)(hu)（如鎢極氬弧(hu)(hu)(hu)焊）的擴(kuo)散(san)角約為45°,等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)擴(kuo)散(san)角約為5°(圖5-12),這是因(yin)為壓縮后(hou)從噴嘴口噴射出的等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)帶電(dian)質點運動速度(du)(du)明顯提(ti)高所(suo)致(zhi)，速度(du)(du)最(zui)高可達300m/s(跟(gen)噴嘴結構、離子(zi)氣種類和(he)(he)流量有關(guan)）。
圖(tu)5-13是等(deng)離(li)子弧焊(han)和(he)鎢極氬弧焊(han)時，弧長波動(dong)時對焊(han)縫(feng)熔(rong)(rong)深的(de)影(ying)響(xiang)。當等(deng)離(li)子弧長（實際(ji)上是噴嘴(zui)端面到(dao)焊(han)件表面的(de)距離(li)）從3mm增大(da)到(dao)8mm時，對焊(han)縫(feng)熔(rong)(rong)深幾乎不產生影(ying)響(xiang)；而鎢極氬弧孤長從1.5mm增大(da)到(dao)2.5mm時，焊(han)縫(feng)的(de)熔(rong)(rong)深就明(ming)顯下降(jiang)。
b. 熱源成分
普(pu)通(tong)鎢極(ji)氬弧(hu)焊中，加熱(re)焊件(jian)(jian)的(de)(de)熱(re)量主要(yao)來(lai)源于陽(yang)極(ji)斑點，弧(hu)柱輻射熱(re)和傳導(dao)(dao)熱(re)僅起輔(fu)助作(zuo)用。在等離(li)子弧(hu)焊中，情況則有(you)變化，弧(hu)柱高速等離(li)子體通(tong)過接觸傳導(dao)(dao)和輻射帶給焊件(jian)(jian)的(de)(de)熱(re)量明(ming)顯增加，甚(shen)至可(ke)能成為主要(yao)的(de)(de)熱(re)量來(lai)源，而陽(yang)極(ji)熱(re)則降為次要(yao)地位。
3. 等離子(zi)弧的基(ji)本形式
等離子弧按電源的(de)接法(fa)和(he)產生(sheng)形式的(de)不同，可(ke)分(fen)為(wei)轉移型(xing)、非轉移型(xing)和(he)聯合型(xing)3種基本形式，如圖5-14所示。
a. 轉移型等離子弧
等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)是(shi)在電(dian)極和工(gong)件(jian)(jian)之(zhi)(zhi)間燃(ran)燒，但(dan)由于(yu)(yu)電(dian)極內(nei)縮于(yu)(yu)等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)噴嘴(zui)內(nei)，難以直(zhi)接形成等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)，所以必(bi)須(xu)先在電(dian)極和水冷噴嘴(zui)之(zhi)(zhi)間引燃(ran)電(dian)弧(hu)(hu)(hu)（水冷噴嘴(zui)既是(shi)電(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)一極，又起著冷壁拘束電(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)作用(yong)），再(zai)(zai)轉移(yi)為(wei)(wei)電(dian)弧(hu)(hu)(hu)在電(dian)極與工(gong)件(jian)(jian)之(zhi)(zhi)間燃(ran)燒。這種借(jie)助于(yu)(yu)電(dian)極與水冷噴嘴(zui)再(zai)(zai)轉移(yi)為(wei)(wei)電(dian)極與工(gong)件(jian)(jian)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)電(dian)弧(hu)(hu)(hu)稱為(wei)(wei)轉移(yi)弧(hu)(hu)(hu)（圖5-14a).由于(yu)(yu)轉移(yi)型(xing)等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)陽極斑點處于(yu)(yu)工(gong)件(jian)(jian)上，直(zhi)接加熱(re)工(gong)件(jian)(jian)，使電(dian)弧(hu)(hu)(hu)熱(re)量(liang)的(de)(de)有效利(li)用(yong)率(lv)提高，同(tong)時轉移(yi)型(xing)等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)具有很高的(de)(de)動能和沖(chong)擊力，特別(bie)適合于(yu)(yu)焊接。
b. 非轉移型(xing)等離子弧
電(dian)源(yuan)接(jie)于電(dian)極(ji)(ji)和(he)(he)噴(pen)嘴(zui)之間(jian)，工件不接(jie)入焊接(jie)回(hui)路，鎢極(ji)(ji)為陰(yin)極(ji)(ji)，噴(pen)嘴(zui)為陽極(ji)(ji)，等離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)在電(dian)極(ji)(ji)和(he)(he)水冷噴(pen)嘴(zui)之間(jian)引(yin)燃電(dian)弧(hu)(hu)(hu)（水冷噴(pen)嘴(zui)既(ji)是電(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)一極(ji)(ji)，又(you)(you)起著冷壁拘束電(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)作用）噴(pen)出，形成的(de)(de)等離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)稱(cheng)為非轉(zhuan)移型等離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)，又(you)(you)叫(jiao)等離子(zi)焰(yan)，見圖5-14b。
因為非(fei)轉移(yi)型(xing)等離子弧對工件(jian)的加熱(re)是(shi)間接的，傳到工件(jian)上的熱(re)量較(jiao)少，只適用于焊(han)接薄板和等離子噴(pen)涂，這(zhe)里就不(bu)再詳細介紹。
c. 聯合(he)型等離子(zi)弧(hu)
轉移型(xing)等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧和非轉移型(xing)等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧同時存(cun)在的等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧，稱為聯合型(xing)等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧，如(ru)圖5-14c所示(shi)。這種(zhong)等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧焊很(hen)少采用(yong)，這里就不再詳細介(jie)紹。
二(er)、等(deng)離子弧(hu)焊(han)設備
1. 焊接電源
具有下降(jiang)或(huo)垂直陡降(jiang)特性的直流(liu)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)（與鎢(wu)極氬(ya)(ya)弧(hu)(hu)焊(han)(han)的電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)相同）都(dou)可(ke)供等離子弧(hu)(hu)焊(han)(han)使用(yong)(yong)。用(yong)(yong)純氬(ya)(ya)氣(qi)做離子氣(qi)時，電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)空(kong)載電(dian)(dian)(dian)壓只需65V~80V;用(yong)(yong)氬(ya)(ya)＋氫混合(he)氣(qi)做離子氣(qi)時，電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)空(kong)載電(dian)(dian)(dian)壓需110V~120V.若無(wu)合(he)適的專用(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，可(ke)用(yong)(yong)兩臺普通直流(liu)弧(hu)(hu)焊(han)(han)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)串(chuan)聯使用(yong)(yong)。大(da)電(dian)(dian)(dian)流(liu)等離子弧(hu)(hu)焊(han)(han)都(dou)采(cai)(cai)用(yong)(yong)轉移(yi)型弧(hu)(hu)，用(yong)(yong)高(gao)頻引燃非(fei)轉移(yi)弧(hu)(hu)，然(ran)后轉移(yi)成轉移(yi)弧(hu)(hu)。因此，一般可(ke)以(yi)采(cai)(cai)用(yong)(yong)一臺焊(han)(han)接電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，用(yong)(yong)串(chuan)接電(dian)(dian)(dian)阻的方法向(xiang)電(dian)(dian)(dian)極和水冷(leng)噴嘴回路提供產(chan)生非(fei)轉移(yi)弧(hu)(hu)所需要(yao)的較低電(dian)(dian)(dian)流(liu)，見圖(tu)5-14a。
2. 引弧裝(zhuang)置
等(deng)離子弧(hu)(hu)焊的(de)引弧(hu)(hu)裝置與鎢極氬弧(hu)(hu)焊的(de)引弧(hu)(hu)裝置基(ji)本相同。
3. 控(kong)制(zhi)系統
使用兩套電源時，需能分別調節非轉(zhuan)移(yi)弧和轉(zhuan)移(yi)弧的(de)電流，其余(yu)與(yu)鎢(wu)極(ji)氬(ya)弧焊(han)類似。遇復雜情(qing)況(kuang)，還需能控制離子氣的(de)遞(di)增(zeng)和衰減。
4. 氣路(lu)和水路(lu)
等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)供(gong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)路(lu)(lu)要比鎢極氬(ya)弧(hu)焊(han)復雜，見(jian)圖5-15。等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)如(ru)采用混氫(qing)混合(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體時，必須保(bao)證供(gong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)中不能漏氣(qi)(qi)(qi)(qi)，否則會有引起爆(bao)炸的(de)危險。在供(gong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)中，要有氣(qi)(qi)(qi)(qi)流(liu)匯流(liu)裝置進(jin)行均(jun)流(liu)，均(jun)勻地(di)將氣(qi)(qi)(qi)(qi)分配給各(ge)路(lu)(lu)氣(qi)(qi)(qi)(qi)路(lu)(lu)；還要有貯(zhu)氣(qi)(qi)(qi)(qi)筒，對離(li)子(zi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)進(jin)行緩(huan)沖。衰減氣(qi)(qi)(qi)(qi)閥對結(jie)束(shu)焊(han)接(jie)時的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)流(liu)進(jin)行衰減。
等(deng)離(li)子(zi)弧焊的(de)水路(lu)與鎢極氬弧焊的(de)水路(lu)相同。
5. 焊槍
等(deng)(deng)離子(zi)(zi)(zi)弧焊(han)槍要比鎢極氬(ya)焊(han)焊(han)槍復雜(za)、精(jing)密得多，其(qi)中最主要的部件是離子(zi)(zi)(zi)弧噴嘴和保證(zheng)鎢極與等(deng)(deng)離子(zi)(zi)(zi)噴嘴同(tong)心的裝置。某型號300A等(deng)(deng)離子(zi)(zi)(zi)弧焊(han)槍結構(gou)見圖5-16。
三、等離(li)子弧焊槍的(de)噴嘴
等離(li)子弧(hu)焊槍的噴嘴是產生等離(li)子弧(hu)的關鍵部件，它的設計(ji)是否合理(li)，對保證等離(li)子弧(hu)的穩定、正常(chang)工(gong)作以及焊接質量具(ju)有決(jue)定性作用。
1. 噴嘴的主要結構參數（圖5-17)
a. 噴嘴孔(kong)徑d
噴(pen)(pen)嘴孔徑d,它決定(ding)(ding)等(deng)離子(zi)弧直徑的(de)(de)大(da)(da)(da)小。噴(pen)(pen)嘴孔徑d決定(ding)(ding)了(le)應(ying)使(shi)用的(de)(de)焊(han)接電(dian)(dian)流(liu)和離子(zi)氣(qi)(qi)流(liu)量(liang)，也可以(yi)依據焊(han)接電(dian)(dian)流(liu)和離子(zi)氣(qi)(qi)流(liu)量(liang)先(xian)擇噴(pen)(pen)嘴孔徑d的(de)(de)大(da)(da)(da)小。總之，d越大(da)(da)(da)則(ze)壓(ya)縮作用越小，當(dang)d過于(yu)大(da)(da)(da)對則(ze)無壓(ya)縮效果；而d過小時，則(ze)會(hui)引起雙弧（圖5-47),破(po)壞了(le)等(deng)離子(zi)弧的(de)(de)穩定(ding)(ding)性。因(yin)此，對于(yu)給(gei)定(ding)(ding)的(de)(de)d值(zhi)，有一個(ge)合理的(de)(de)焊(han)接電(dian)(dian)流(liu)使(shi)用范(fan)(fan)圍。表5-2列(lie)出了(le)常用的(de)(de)某型號噴(pen)(pen)嘴孔徑d及其焊(han)接電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)使(shi)用范(fan)(fan)圍，供參考。
b. 噴嘴孔長度L
當噴嘴孔(kong)徑(jing)d給定時，噴嘴孔(kong)長(chang)度(du)（深度(du)）L的增(zeng)加(jia)，則壓(ya)縮作用加(jia)強。常以L/d表示噴嘴孔(kong)道壓(ya)縮特征，稱之為孔(kong)道比(bi)（表5-3).
c. 錐角(jiao) α
錐角(jiao)α又(you)稱壓縮(suo)角(jiao)，實(shi)際上它對等離子(zi)弧壓縮(suo)狀(zhuang)態(tai)影響不大(da)，特(te)別是當離子(zi)氣流(liu)量較(jiao)小，L/d較(jiao)小時(shi)。但壓縮(suo)角(jiao)小時(shi)，能增強(qiang)對電(dian)弧的壓縮(suo)作用。一般應(ying)注意和鎢(wu)極(ji)端部(bu)形狀(zhuang)相配合，以利于陰極(ji)斑點置于鎢(wu)極(ji)頂端而不上漂。常用的壓縮(suo)角(jiao)α值為60°~75°。
d. 壓縮通道的形狀
多數(shu)噴(pen)嘴采(cai)用圓(yuan)(yuan)柱(zhu)形壓縮通道(dao)，但也有(you)采(cai)用圓(yuan)(yuan)錐形、臺階圓(yuan)(yuan)柱(zhu)形等擴散型噴(pen)嘴。這類噴(pen)嘴降低了壓縮程度(du)，有(you)利(li)于提高等離子弧的穩定性和噴(pen)嘴使用壽命。擴散型噴(pen)嘴結(jie)構見圖5-18。
除了單孔(kong)型（圖5-17a)噴(pen)嘴(zui)外(wai)，還有(you)多孔(kong)型噴(pen)嘴(zui)。例如(ru)，兩側帶有(you)2個輔助小(xiao)孔(kong)的(de)(de)(de)焊(han)接噴(pen)嘴(zui)（圖5-17b),可(ke)使等(deng)離子(zi)弧的(de)(de)(de)橫截面由圓形變為橢圓形，使熱源有(you)效功(gong)率密度提高，有(you)利(li)(li)于(yu)進一步(bu)提高焊(han)速和減小(xiao)焊(han)縫及熱影響區寬度。四周帶有(you)多個小(xiao)孔(kong)的(de)(de)(de)噴(pen)嘴(zui)（圖5-17c)可(ke)使等(deng)離子(zi)弧在噴(pen)嘴(zui)外(wai)得到二次壓縮，用(yong)于(yu)切(qie)(qie)割，有(you)利(li)(li)于(yu)進一步(bu)提高等(deng)離子(zi)弧挺度及切(qie)(qie)口(kou)質量(liang)；但過多的(de)(de)(de)小(xiao)孔(kong)易受金屬飛濺物堵塞而失去(qu)其有(you)利(li)(li)作用(yong)并造成不(bu)利(li)(li)的(de)(de)(de)等(deng)離子(zi)弧偏轉，因此并未得到廣泛應(ying)用(yong)。
2. 噴嘴(zui)的材(cai)料和(he)冷卻
等離子弧(hu)焊的噴(pen)嘴應采(cai)(cai)用導熱(re)性良(liang)好(hao)的紫銅制成(cheng)，大(da)功(gong)率（電流）噴(pen)嘴還必須采(cai)(cai)用直接水(shui)冷(leng)，并保(bao)證冷(leng)卻水(shui)有(you)足夠的流量(liang)和壓力，最好(hao)配備專用高(gao)(gao)(gao)壓冷(leng)卻裝(zhuang)置。大(da)功(gong)率等離子弧(hu)焊槍應采(cai)(cai)用循環的高(gao)(gao)(gao)壓蒸餾水(shui)直接冷(leng)卻槍體，冷(leng)卻水(shui)再經熱(re)交換器散(san)熱(re)后(hou)循環使用。為了提(ti)高(gao)(gao)(gao)冷(leng)卻效果(guo)，噴(pen)嘴的壁厚一般在2mm~2.5mm之間。
