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)、等離子弧的特性
1. 靜態特性
等(deng)離子弧的靜態特(te)性仍然呈U型曲(qu)線，但具有以(yi)下特(te)點：
a. 由于冷壁(bi)噴嘴的拘束作(zuo)用使(shi)弧柱橫截面積受(shou)到限制(zhi)，弧柱電場強度增大(da)，電弧電壓明(ming)顯(xian)提(ti)高，U型特(te)性的平直區(qu)較自由電弧明(ming)顯(xian)縮小。
b. 拘束(shu)孔道的尺寸和形狀對靜特(te)性有明顯的影響(xiang)，噴嘴孔徑越小，U型特(te)性平(ping)直區域就越小，上升段斜(xie)率(lv)增大，即弧(hu)柱電場(chang)強度增大。
c. 離(li)子氣的(de)種類和流量不(bu)同(tong)時，弧柱的(de)電(dian)場強(qiang)度將(jiang)有明顯變化。因(yin)此，用于等離(li)子弧焊的(de)電(dian)源空載(zai)電(dian)壓應按所(suo)用等離(li)子氣種類而(er)定。
d. 如(ru)果采用(yong)聯合型(xing)(xing)(xing)等(deng)離(li)子弧(hu)，轉移(yi)弧(hu)U型(xing)(xing)(xing)特性(xing)下降區(qu)段斜率明顯減小(xiao)(xiao)，這(zhe)是由于非(fei)轉移(yi)弧(hu)的存在為轉移(yi)弧(hu)提供了導電通路(lu)之故。因此小(xiao)(xiao)電流微束等(deng)離(li)子弧(hu)常采用(yong)混合型(xing)(xing)(xing)弧(hu)，以提高(gao)其穩定性(xing)。
2. 熱源特性
a. 溫(wen)度和(he)能量密度
等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)的(de)弧(hu)柱溫度(du)(du)(du)高，能量密度(du)(du)(du)大。從圖5-9和圖5-10可以看(kan)出，等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)對焊件加(jia)熱(re)集中，熔(rong)透力(li)強，焊接時速度(du)(du)(du)要比氬弧(hu)焊快得(de)多，從而可提高焊接生產效率。普通鎢極氬弧(hu)的(de)最高溫度(du)(du)(du)為10000K~24000K,能量密度(du)(du)(du)小于10kW/c㎡;而等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)的(de)溫度(du)(du)(du)可高達24000K~50000K,能量密度(du)(du)(du)可達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此(ci)，等(deng)離子弧焊(han)的焊(han)縫截面形狀(zhuang)較(jiao)窄，深(shen)寬(kuan)比(bi)大，無疑焊(han)件變(bian)形就小。等(deng)離子弧焊(han)和(he)鎢極氬弧焊(han)深(shen)寬(kuan)比(bi)比(bi)較(jiao)見圖5-11。
等離子弧(hu)溫度和能量密度高的原因(yin)是：
①. 水冷噴嘴孔徑限(xian)定了弧柱橫(heng)截面積不能(neng)自由擴大，這(zhe)種(zhong)拘束作用(yong)稱為(wei)機械壓(ya)縮作用(yong)。
②. 噴(pen)嘴(zui)水冷作(zuo)用(yong)使(shi)靠近噴(pen)嘴(zui)內壁(bi)(bi)的氣體也受到強烈的冷卻(que)作(zuo)用(yong)，并且溫(wen)度(du)和(he)電(dian)離度(du)均迅(xun)速下(xia)降，迫使(shi)弧(hu)柱(zhu)(zhu)區電(dian)流(liu)集(ji)中(zhong)到弧(hu)柱(zhu)(zhu)中(zhong)心(xin)的高(gao)溫(wen)高(gao)電(dian)離度(du)區。這(zhe)(zhe)樣由于冷壁(bi)(bi)而在弧(hu)柱(zhu)(zhu)四(si)周產生一(yi)層(ceng)電(dian)離度(du)趨近于零的冷氣膜(mo)，從而使(shi)弧(hu)柱(zhu)(zhu)有效橫(heng)截面進(jin)一(yi)步減(jian)小(xiao)，電(dian)流(liu)密(mi)度(du)進(jin)一(yi)步提高(gao)。這(zhe)(zhe)種使(shi)弧(hu)柱(zhu)(zhu)溫(wen)度(du)和(he)能量密(mi)度(du)提高(gao)的作(zuo)用(yong)通常(chang)又稱為熱收縮效應。
③. 由于以上兩個收縮效應的存在，弧(hu)(hu)柱電流密度增(zeng)大以后，弧(hu)(hu)柱電流線(xian)之間的電磁收縮作用也進(jin)一(yi)步增(zeng)強，致使(shi)弧(hu)(hu)柱溫度和能量密度進(jin)一(yi)步提高。以上3個因(yin)素中，噴嘴機械(xie)拘束(shu)是(shi)前(qian)提條件，而熱(re)收縮則(ze)是(shi)最本質的原因(yin)。
等離(li)子弧(hu)(hu)(hu)溫度(du)(du)和(he)能量密度(du)(du)的(de)顯(xian)著提高(gao)(gao)，弧(hu)(hu)(hu)柱(zhu)近似于圓柱(zhu)形，使等離(li)子弧(hu)(hu)(hu)的(de)穩定性和(he)挺直(zhi)度(du)(du)變(bian)得更(geng)好(hao)。自由電弧(hu)(hu)(hu)（如鎢(wu)極氬弧(hu)(hu)(hu)焊(han)）的(de)擴(kuo)(kuo)散角(jiao)約為(wei)(wei)45°,等離(li)子弧(hu)(hu)(hu)擴(kuo)(kuo)散角(jiao)約為(wei)(wei)5°(圖5-12),這是因為(wei)(wei)壓縮后從噴嘴(zui)口噴射出(chu)的(de)等離(li)子弧(hu)(hu)(hu)帶電質點運(yun)動速度(du)(du)明顯(xian)提高(gao)(gao)所(suo)致(zhi)，速度(du)(du)最高(gao)(gao)可(ke)達300m/s(跟噴嘴(zui)結構、離(li)子氣(qi)種(zhong)類和(he)流量有(you)關）。
圖5-13是等(deng)離子(zi)弧焊(han)和鎢(wu)極氬(ya)弧焊(han)時(shi)，弧長(chang)波動時(shi)對焊(han)縫(feng)(feng)熔深(shen)的影響。當(dang)等(deng)離子(zi)弧長(chang)（實際上是噴嘴端面到(dao)(dao)焊(han)件(jian)表面的距離）從(cong)3mm增(zeng)大到(dao)(dao)8mm時(shi)，對焊(han)縫(feng)(feng)熔深(shen)幾(ji)乎(hu)不產生影響；而鎢(wu)極氬(ya)弧孤長(chang)從(cong)1.5mm增(zeng)大到(dao)(dao)2.5mm時(shi)，焊(han)縫(feng)(feng)的熔深(shen)就明顯(xian)下降。
b. 熱(re)源成分(fen)
普通鎢極(ji)(ji)氬弧焊(han)(han)中(zhong)，加(jia)熱(re)(re)焊(han)(han)件的(de)熱(re)(re)量主要(yao)來源于陽極(ji)(ji)斑(ban)點，弧柱輻射熱(re)(re)和傳(chuan)導熱(re)(re)僅起輔助作(zuo)用。在等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧焊(han)(han)中(zhong)，情況則有(you)變化，弧柱高速等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)體通過(guo)接(jie)觸傳(chuan)導和輻射帶給焊(han)(han)件的(de)熱(re)(re)量明顯增加(jia)，甚至可能成(cheng)為主要(yao)的(de)熱(re)(re)量來源，而陽極(ji)(ji)熱(re)(re)則降為次(ci)要(yao)地(di)位(wei)。
3. 等(deng)離子弧的基本形式
等(deng)離子弧按電源的接法和產生形(xing)(xing)式的不同，可分為轉移型(xing)、非轉移型(xing)和聯合型(xing)3種(zhong)基(ji)本形(xing)(xing)式，如圖5-14所示。
a. 轉移型等離子弧
等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)是(shi)在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)工件(jian)之(zhi)間(jian)燃(ran)燒(shao)，但由于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)內(nei)縮于(yu)等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)噴嘴(zui)(zui)(zui)內(nei)，難以直(zhi)接形成等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)，所以必須先在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)水冷噴嘴(zui)(zui)(zui)之(zhi)間(jian)引(yin)燃(ran)電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)（水冷噴嘴(zui)(zui)(zui)既是(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)一極(ji)(ji)，又起(qi)著冷壁(bi)拘束電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)作用），再轉(zhuan)移(yi)(yi)為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與工件(jian)之(zhi)間(jian)燃(ran)燒(shao)。這種借(jie)助(zhu)于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與水冷噴嘴(zui)(zui)(zui)再轉(zhuan)移(yi)(yi)為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與工件(jian)之(zhi)間(jian)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)稱為(wei)轉(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)（圖5-14a).由于(yu)轉(zhuan)移(yi)(yi)型(xing)等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)陽極(ji)(ji)斑點處于(yu)工件(jian)上，直(zhi)接加熱工件(jian)，使電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)熱量的(de)(de)有效利用率提(ti)高，同時轉(zhuan)移(yi)(yi)型(xing)等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)具有很高的(de)(de)動能和(he)沖(chong)擊力，特別適合(he)于(yu)焊接。
b. 非(fei)轉移型等(deng)離子弧(hu)
電(dian)源接于電(dian)極(ji)和噴嘴之間(jian)，工件不(bu)接入焊接回路，鎢(wu)極(ji)為陰(yin)極(ji)，噴嘴為陽極(ji)，等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)在電(dian)極(ji)和水冷噴嘴之間(jian)引燃電(dian)弧(hu)(hu)（水冷噴嘴既(ji)是電(dian)弧(hu)(hu)的(de)一極(ji)，又(you)起著(zhu)冷壁拘束電(dian)弧(hu)(hu)的(de)作用）噴出，形(xing)成的(de)等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)稱(cheng)為非轉移型等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)，又(you)叫(jiao)等(deng)離(li)子(zi)焰，見圖5-14b。
因為非轉移型(xing)等離子弧(hu)對工(gong)件的加熱是間接(jie)的，傳(chuan)到工(gong)件上的熱量較少(shao)，只適用(yong)于焊接(jie)薄板和等離子噴涂(tu)，這里就不再詳細介紹。
c. 聯合型等(deng)離子弧
轉(zhuan)移型等離(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)和非轉(zhuan)移型等離(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)同時(shi)存在的等離(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)，稱為聯合型等離(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)，如(ru)圖5-14c所(suo)示。這種等離(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)焊很少采用，這里就不(bu)再詳(xiang)細介紹。
二、等離(li)子(zi)弧焊設備
1. 焊接電(dian)源
具有下(xia)降或垂直(zhi)(zhi)陡降特性的(de)直(zhi)(zhi)流(liu)電(dian)(dian)(dian)源（與鎢(wu)極(ji)(ji)氬(ya)弧焊的(de)電(dian)(dian)(dian)源相同）都(dou)可供等離(li)(li)子(zi)弧焊使(shi)用(yong)(yong)。用(yong)(yong)純氬(ya)氣做離(li)(li)子(zi)氣時(shi)(shi)，電(dian)(dian)(dian)源空(kong)載電(dian)(dian)(dian)壓只(zhi)需65V~80V;用(yong)(yong)氬(ya)＋氫混合氣做離(li)(li)子(zi)氣時(shi)(shi)，電(dian)(dian)(dian)源空(kong)載電(dian)(dian)(dian)壓需110V~120V.若(ruo)無合適(shi)的(de)專(zhuan)用(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)源，可用(yong)(yong)兩(liang)臺普通直(zhi)(zhi)流(liu)弧焊電(dian)(dian)(dian)源串聯使(shi)用(yong)(yong)。大電(dian)(dian)(dian)流(liu)等離(li)(li)子(zi)弧焊都(dou)采用(yong)(yong)轉(zhuan)移型弧，用(yong)(yong)高(gao)頻引燃非轉(zhuan)移弧，然后(hou)轉(zhuan)移成轉(zhuan)移弧。因(yin)此(ci)，一般可以采用(yong)(yong)一臺焊接(jie)電(dian)(dian)(dian)源，用(yong)(yong)串接(jie)電(dian)(dian)(dian)阻的(de)方法向電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和水冷(leng)噴(pen)嘴回(hui)路提供產生非轉(zhuan)移弧所需要的(de)較低電(dian)(dian)(dian)流(liu)，見圖5-14a。
2. 引弧裝置
等離子弧焊(han)的引弧裝置(zhi)(zhi)與(yu)鎢極氬弧焊(han)的引弧裝置(zhi)(zhi)基本相同。
3. 控制系統(tong)
使用(yong)兩套電源時，需能分別調節(jie)非轉移(yi)弧和轉移(yi)弧的電流，其余與鎢極(ji)氬弧焊類似。遇復雜(za)情況，還需能控制離子氣的遞增和衰減。
4. 氣路和(he)水路
等離(li)子弧(hu)焊供(gong)氣(qi)(qi)系統(tong)(tong)的氣(qi)(qi)路要(yao)比鎢(wu)極氬(ya)弧(hu)焊復雜，見(jian)圖5-15。等離(li)子弧(hu)焊如采用混氫混合(he)氣(qi)(qi)體時，必須保證供(gong)氣(qi)(qi)系統(tong)(tong)中不能漏氣(qi)(qi)，否(fou)則會有(you)引起爆炸的危險。在供(gong)氣(qi)(qi)系統(tong)(tong)中，要(yao)有(you)氣(qi)(qi)流(liu)匯流(liu)裝置進行(xing)(xing)均(jun)流(liu)，均(jun)勻地將氣(qi)(qi)分(fen)配給各路氣(qi)(qi)路；還(huan)要(yao)有(you)貯(zhu)氣(qi)(qi)筒，對離(li)子氣(qi)(qi)進行(xing)(xing)緩沖。衰減(jian)氣(qi)(qi)閥(fa)對結束焊接時的氣(qi)(qi)流(liu)進行(xing)(xing)衰減(jian)。
等離子弧(hu)焊(han)的水路與(yu)鎢(wu)極氬(ya)弧(hu)焊(han)的水路相同(tong)。
5. 焊槍
等(deng)離(li)子弧焊槍要比鎢極氬(ya)焊焊槍復雜(za)、精(jing)密得(de)多，其中最主要的(de)(de)部件是離(li)子弧噴嘴和保證鎢極與等(deng)離(li)子噴嘴同心(xin)的(de)(de)裝置。某型號300A等(deng)離(li)子弧焊槍結構見圖(tu)5-16。
三、等(deng)離子弧焊槍的噴嘴
等(deng)離子(zi)弧(hu)焊槍的噴嘴是產生(sheng)等(deng)離子(zi)弧(hu)的關鍵部件，它(ta)的設(she)計(ji)是否合(he)理(li)，對保(bao)證等(deng)離子(zi)弧(hu)的穩定、正常(chang)工作(zuo)以(yi)及焊接質量具有決定性作(zuo)用(yong)。
1. 噴(pen)嘴的主要結構參(can)數（圖5-17)
a. 噴嘴孔徑d
噴嘴孔(kong)徑d,它決(jue)(jue)定等(deng)離(li)子(zi)弧直徑的(de)(de)(de)大(da)小。噴嘴孔(kong)徑d決(jue)(jue)定了應使用(yong)的(de)(de)(de)焊接(jie)電(dian)(dian)(dian)流(liu)和(he)離(li)子(zi)氣流(liu)量(liang)，也可以依(yi)據焊接(jie)電(dian)(dian)(dian)流(liu)和(he)離(li)子(zi)氣流(liu)量(liang)先擇噴嘴孔(kong)徑d的(de)(de)(de)大(da)小。總(zong)之，d越(yue)大(da)則(ze)壓(ya)縮作用(yong)越(yue)小，當(dang)d過于(yu)大(da)對則(ze)無壓(ya)縮效(xiao)果；而(er)d過小時，則(ze)會引起雙(shuang)弧（圖5-47),破壞(huai)了等(deng)離(li)子(zi)弧的(de)(de)(de)穩定性。因(yin)此(ci)，對于(yu)給定的(de)(de)(de)d值，有一個合理的(de)(de)(de)焊接(jie)電(dian)(dian)(dian)流(liu)使用(yong)范圍。表5-2列出(chu)了常用(yong)的(de)(de)(de)某型號(hao)噴嘴孔(kong)徑d及其(qi)焊接(jie)電(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)使用(yong)范圍，供參考。
b. 噴嘴孔(kong)長度(du)L
當噴(pen)(pen)嘴孔(kong)徑d給定時，噴(pen)(pen)嘴孔(kong)長度(du)（深度(du)）L的增(zeng)加，則壓(ya)縮(suo)作用加強。常(chang)以L/d表(biao)示噴(pen)(pen)嘴孔(kong)道(dao)壓(ya)縮(suo)特征，稱(cheng)之為(wei)孔(kong)道(dao)比（表(biao)5-3).
c. 錐角 α
錐角(jiao)α又稱壓縮(suo)角(jiao)，實際上它對等(deng)離子弧壓縮(suo)狀態影響(xiang)不大，特(te)別是(shi)當離子氣流量較小，L/d較小時。但壓縮(suo)角(jiao)小時，能增(zeng)強對電弧的壓縮(suo)作用(yong)。一般應注意和鎢極端(duan)部形(xing)狀相配合，以利于(yu)陰極斑點置于(yu)鎢極頂端(duan)而(er)不上漂。常用(yong)的壓縮(suo)角(jiao)α值為60°~75°。
d. 壓縮通道的形狀
多數噴嘴采用(yong)圓(yuan)柱形壓縮通道(dao)，但也有采用(yong)圓(yuan)錐形、臺階(jie)圓(yuan)柱形等(deng)擴散型噴嘴。這(zhe)類(lei)噴嘴降低了壓縮程度，有利于提高等(deng)離子(zi)弧的穩定性(xing)和噴嘴使用(yong)壽命。擴散型噴嘴結構(gou)見(jian)圖5-18。
除(chu)了(le)單孔(kong)(kong)型(xing)（圖(tu)5-17a)噴(pen)嘴(zui)外(wai)，還有(you)多孔(kong)(kong)型(xing)噴(pen)嘴(zui)。例如，兩側帶有(you)2個(ge)輔助小(xiao)孔(kong)(kong)的焊接噴(pen)嘴(zui)（圖(tu)5-17b),可使等(deng)離子弧的橫截面由圓(yuan)形(xing)變為橢(tuo)圓(yuan)形(xing)，使熱源有(you)效功(gong)率密度提高(gao)，有(you)利(li)于(yu)(yu)進(jin)一步(bu)提高(gao)焊速和(he)減小(xiao)焊縫及(ji)熱影響(xiang)區寬度。四(si)周帶有(you)多個(ge)小(xiao)孔(kong)(kong)的噴(pen)嘴(zui)（圖(tu)5-17c)可使等(deng)離子弧在噴(pen)嘴(zui)外(wai)得(de)到(dao)二次壓縮，用(yong)于(yu)(yu)切割，有(you)利(li)于(yu)(yu)進(jin)一步(bu)提高(gao)等(deng)離子弧挺度及(ji)切口質(zhi)量；但過(guo)多的小(xiao)孔(kong)(kong)易受金屬飛濺(jian)物堵塞(sai)而失去其有(you)利(li)作用(yong)并(bing)造成(cheng)不利(li)的等(deng)離子弧偏轉(zhuan)，因此并(bing)未(wei)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)。
2. 噴嘴的材料和冷卻
等離子弧(hu)焊(han)的(de)噴(pen)嘴應(ying)采用(yong)導(dao)熱(re)性良好的(de)紫(zi)銅制成，大功(gong)率(lv)（電流）噴(pen)嘴還必須采用(yong)直接(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)冷(leng)(leng)，并保(bao)證(zheng)冷(leng)(leng)卻水(shui)(shui)(shui)有足夠(gou)的(de)流量和壓力(li)，最好配備專用(yong)高壓冷(leng)(leng)卻裝置。大功(gong)率(lv)等離子弧(hu)焊(han)槍應(ying)采用(yong)循(xun)環的(de)高壓蒸餾(liu)水(shui)(shui)(shui)直接(jie)(jie)冷(leng)(leng)卻槍體，冷(leng)(leng)卻水(shui)(shui)(shui)再經熱(re)交換器散熱(re)后(hou)循(xun)環使用(yong)。為了(le)提高冷(leng)(leng)卻效果(guo)，噴(pen)嘴的(de)壁厚一般在2mm~2.5mm之間。
