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、等離子弧的(de)特性

1. 靜態特(te)性

 等離(li)子弧的靜態特性(xing)仍然呈U型曲線，但具有以下特點(dian)：

  a. 由于冷壁(bi)噴(pen)嘴的拘束作用使弧柱(zhu)橫截面積受到限制，弧柱(zhu)電(dian)場強度增大，電(dian)弧電(dian)壓明(ming)顯(xian)提高(gao)，U型特(te)性的平直區(qu)較自由電(dian)弧明(ming)顯(xian)縮小。

  b. 拘束孔道(dao)的尺寸和形狀對靜特性有明顯的影(ying)響，噴嘴孔徑越(yue)小(xiao)，U型特性平直區(qu)域就越(yue)小(xiao)，上升段斜率增大，即弧柱電(dian)場強度增大。

  c. 離(li)子(zi)氣的(de)種(zhong)(zhong)類和(he)流量不同時，弧柱的(de)電(dian)場(chang)強度(du)將有明顯變(bian)化。因此，用于等(deng)離(li)子(zi)弧焊(han)的(de)電(dian)源空載(zai)電(dian)壓應按所用等(deng)離(li)子(zi)氣種(zhong)(zhong)類而定。

  d. 如果采用(yong)(yong)聯合型等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)，轉(zhuan)移弧(hu)(hu)U型特性下降(jiang)區段斜率明顯減小(xiao)，這是由于非轉(zhuan)移弧(hu)(hu)的(de)存在為轉(zhuan)移弧(hu)(hu)提(ti)供了導電通路之(zhi)故。因(yin)此小(xiao)電流微(wei)束等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)常采用(yong)(yong)混合型弧(hu)(hu)，以提(ti)高其穩定性。

2. 熱源特(te)性(xing)

  a. 溫度和能量密(mi)度

   等離子弧(hu)的(de)(de)弧(hu)柱溫度(du)高，能(neng)量(liang)密(mi)度(du)大。從圖5-9和圖5-10可(ke)以(yi)看出(chu)，等離子弧(hu)對焊件加(jia)熱(re)集中，熔透力強，焊接時速度(du)要(yao)比(bi)氬(ya)弧(hu)焊快得多(duo)，從而(er)(er)可(ke)提高焊接生(sheng)產效(xiao)率。普通鎢極(ji)氬(ya)弧(hu)的(de)(de)最高溫度(du)為10000K~24000K,能(neng)量(liang)密(mi)度(du)小于10kW/c㎡;而(er)(er)等離子弧(hu)的(de)(de)溫度(du)可(ke)高達(da)24000K~50000K,能(neng)量(liang)密(mi)度(du)可(ke)達(da)100kW/c㎡~1000kW/c㎡.

   因(yin)此，等(deng)離子弧(hu)焊(han)的焊(han)縫截面形(xing)狀較窄，深寬(kuan)比大(da)，無(wu)疑焊(han)件(jian)變(bian)形(xing)就(jiu)小。等(deng)離子弧(hu)焊(han)和鎢極(ji)氬(ya)弧(hu)焊(han)深寬(kuan)比比較見(jian)圖5-11。

  等離子弧溫度和(he)能量密度高(gao)的原因是：

   ①. 水冷噴嘴孔徑限定了(le)弧柱橫截面積不能(neng)自(zi)由擴大，這種拘束作用(yong)稱為機(ji)械壓縮作用(yong)。

   ②. 噴(pen)嘴(zui)水(shui)冷(leng)(leng)作(zuo)用使(shi)靠近噴(pen)嘴(zui)內壁的氣(qi)體也受到強(qiang)烈的冷(leng)(leng)卻作(zuo)用，并且溫(wen)度(du)和電離度(du)均迅速下降，迫使(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)區電流集中到弧(hu)(hu)柱(zhu)中心的高(gao)(gao)溫(wen)高(gao)(gao)電離度(du)區。這樣由于冷(leng)(leng)壁而(er)在弧(hu)(hu)柱(zhu)四(si)周產生一層電離度(du)趨近于零(ling)的冷(leng)(leng)氣(qi)膜，從而(er)使(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)有(you)效橫截面進一步減小，電流密度(du)進一步提(ti)(ti)高(gao)(gao)。這種(zhong)使(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)溫(wen)度(du)和能量(liang)密度(du)提(ti)(ti)高(gao)(gao)的作(zuo)用通(tong)常又稱(cheng)為熱(re)收縮效應(ying)。

  ③. 由于(yu)以(yi)上兩個(ge)收縮(suo)(suo)效應(ying)的(de)存在(zai)，弧柱電(dian)流密(mi)度(du)(du)增大以(yi)后(hou)，弧柱電(dian)流線之間的(de)電(dian)磁收縮(suo)(suo)作用也進(jin)一步增強，致使弧柱溫度(du)(du)和能量密(mi)度(du)(du)進(jin)一步提高。以(yi)上3個(ge)因素中(zhong)，噴嘴(zui)機械拘(ju)束是前(qian)提條件，而熱收縮(suo)(suo)則是最(zui)本質(zhi)的(de)原因。

  等(deng)(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)溫(wen)度和(he)能(neng)量密度的顯著(zhu)提高，弧(hu)(hu)柱(zhu)近似于圓(yuan)柱(zhu)形，使(shi)等(deng)(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)的穩(wen)定性和(he)挺直度變得更好。自由(you)電(dian)弧(hu)(hu)（如鎢極氬弧(hu)(hu)焊）的擴散(san)角約為45°,等(deng)(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)擴散(san)角約為5°(圖5-12),這是因為壓(ya)縮后(hou)從噴(pen)嘴(zui)口(kou)噴(pen)射(she)出(chu)的等(deng)(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)帶(dai)電(dian)質點運動速(su)度明(ming)顯提高所致，速(su)度最高可(ke)達300m/s(跟(gen)噴(pen)嘴(zui)結構、離(li)(li)子氣種(zhong)類和(he)流量有(you)關）。

  圖(tu)5-13是(shi)等離(li)子弧(hu)(hu)焊(han)和(he)鎢極氬弧(hu)(hu)焊(han)時(shi)，弧(hu)(hu)長(chang)(chang)波(bo)動時(shi)對焊(han)縫熔(rong)深(shen)的(de)(de)影響。當(dang)等離(li)子弧(hu)(hu)長(chang)(chang)（實(shi)際上是(shi)噴嘴端面到焊(han)件表(biao)面的(de)(de)距離(li)）從3mm增(zeng)大(da)(da)到8mm時(shi)，對焊(han)縫熔(rong)深(shen)幾乎不產生影響；而鎢極氬弧(hu)(hu)孤長(chang)(chang)從1.5mm增(zeng)大(da)(da)到2.5mm時(shi)，焊(han)縫的(de)(de)熔(rong)深(shen)就明顯下降。

 b. 熱源成(cheng)分

  普通(tong)鎢極氬弧(hu)焊(han)中，加熱(re)焊(han)件(jian)的熱(re)量主要來(lai)源于(yu)陽極斑點(dian)，弧(hu)柱(zhu)輻射(she)熱(re)和傳導熱(re)僅起輔(fu)助作用。在等離(li)子弧(hu)焊(han)中，情況則有變化，弧(hu)柱(zhu)高速等離(li)子體(ti)通(tong)過(guo)接(jie)觸傳導和輻射(she)帶給焊(han)件(jian)的熱(re)量明顯增加，甚(shen)至可能成為主要的熱(re)量來(lai)源，而(er)陽極熱(re)則降為次要地位。

3. 等離(li)子弧的基(ji)本形式

 等(deng)離子弧按電源的接法和產生形式(shi)的不同(tong)，可分為(wei)轉(zhuan)移(yi)型、非轉(zhuan)移(yi)型和聯合型3種基本形式(shi)，如圖5-14所示。

  a. 轉(zhuan)移(yi)型等離(li)子弧

  等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)是在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)和工(gong)件(jian)之間(jian)(jian)燃燒，但由(you)于(yu)電(dian)(dian)極(ji)(ji)內縮于(yu)等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)噴(pen)(pen)嘴內，難以直(zhi)接(jie)(jie)形成等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)，所以必須先在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)和水冷噴(pen)(pen)嘴之間(jian)(jian)引燃電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)（水冷噴(pen)(pen)嘴既是電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)一(yi)極(ji)(ji)，又起著冷壁拘束電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)作用），再轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移為電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)與工(gong)件(jian)之間(jian)(jian)燃燒。這種借助于(yu)電(dian)(dian)極(ji)(ji)與水冷噴(pen)(pen)嘴再轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移為電(dian)(dian)極(ji)(ji)與工(gong)件(jian)之間(jian)(jian)的(de)(de)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)稱(cheng)為轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移弧(hu)(hu)(hu)（圖5-14a).由(you)于(yu)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移型(xing)等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)陽極(ji)(ji)斑點處于(yu)工(gong)件(jian)上，直(zhi)接(jie)(jie)加(jia)熱工(gong)件(jian)，使電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)熱量的(de)(de)有(you)效利用率提(ti)高，同時(shi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移型(xing)等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)具(ju)有(you)很高的(de)(de)動能和沖擊(ji)力，特別適合于(yu)焊接(jie)(jie)。

  b. 非轉移(yi)型等離子弧

  電(dian)源接于電(dian)極(ji)和噴(pen)嘴(zui)(zui)(zui)之(zhi)間，工件不接入(ru)焊(han)接回(hui)路，鎢極(ji)為(wei)陰極(ji)，噴(pen)嘴(zui)(zui)(zui)為(wei)陽極(ji)，等(deng)離(li)子(zi)弧在(zai)電(dian)極(ji)和水(shui)(shui)冷(leng)噴(pen)嘴(zui)(zui)(zui)之(zhi)間引燃電(dian)弧（水(shui)(shui)冷(leng)噴(pen)嘴(zui)(zui)(zui)既是電(dian)弧的一極(ji)，又起(qi)著(zhu)冷(leng)壁拘束電(dian)弧的作用）噴(pen)出，形成(cheng)的等(deng)離(li)子(zi)弧稱(cheng)為(wei)非(fei)轉移(yi)型等(deng)離(li)子(zi)弧，又叫等(deng)離(li)子(zi)焰，見圖5-14b。

  因為非(fei)轉移型等離子弧對工(gong)件的(de)(de)加熱(re)是間接的(de)(de)，傳到(dao)工(gong)件上的(de)(de)熱(re)量(liang)較(jiao)少，只適用(yong)于焊(han)接薄(bo)板和等離子噴涂(tu)，這里就不再詳細介紹。

 c. 聯合(he)型等離子弧

 轉(zhuan)移(yi)型等離(li)(li)子(zi)弧和非轉(zhuan)移(yi)型等離(li)(li)子(zi)弧同時存在的等離(li)(li)子(zi)弧，稱為聯合型等離(li)(li)子(zi)弧，如圖(tu)5-14c所示(shi)。這種(zhong)等離(li)(li)子(zi)弧焊(han)很少(shao)采用(yong)，這里(li)就(jiu)不再詳細介紹。

二、等離子弧焊設(she)備

1. 焊接電源

具(ju)有下(xia)降或垂(chui)直(zhi)陡降特(te)性的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)（與鎢(wu)極氬(ya)弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)的(de)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)相同）都(dou)可(ke)供等離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)使用(yong)(yong)(yong)(yong)。用(yong)(yong)(yong)(yong)純氬(ya)氣做離子(zi)(zi)氣時，電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)空載(zai)電(dian)(dian)(dian)壓只需(xu)65V~80V;用(yong)(yong)(yong)(yong)氬(ya)＋氫混合氣做離子(zi)(zi)氣時，電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)空載(zai)電(dian)(dian)(dian)壓需(xu)110V~120V.若無合適的(de)專用(yong)(yong)(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，可(ke)用(yong)(yong)(yong)(yong)兩臺(tai)普通直(zhi)流(liu)弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)串(chuan)聯(lian)使用(yong)(yong)(yong)(yong)。大電(dian)(dian)(dian)流(liu)等離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)都(dou)采用(yong)(yong)(yong)(yong)轉移(yi)(yi)型弧(hu)(hu)，用(yong)(yong)(yong)(yong)高頻引燃(ran)非轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)，然后轉移(yi)(yi)成轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)。因此，一般可(ke)以采用(yong)(yong)(yong)(yong)一臺(tai)焊(han)(han)(han)接(jie)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，用(yong)(yong)(yong)(yong)串(chuan)接(jie)電(dian)(dian)(dian)阻的(de)方法(fa)向電(dian)(dian)(dian)極和水冷噴(pen)嘴(zui)回路(lu)提供產生非轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)所需(xu)要的(de)較低電(dian)(dian)(dian)流(liu)，見(jian)圖5-14a。

2. 引弧裝置(zhi)

 等離子(zi)弧(hu)焊的(de)引(yin)弧(hu)裝(zhuang)置與鎢極(ji)氬弧(hu)焊的(de)引(yin)弧(hu)裝(zhuang)置基本相同。

3. 控(kong)制系統

使用(yong)兩套(tao)電源時，需能(neng)分別調節非轉移(yi)弧和轉移(yi)弧的(de)電流(liu)，其余與鎢極氬弧焊(han)類似。遇復(fu)雜(za)情況，還需能(neng)控制離子(zi)氣的(de)遞(di)增和衰減(jian)。

4. 氣路(lu)和水路(lu)

 等離子(zi)弧(hu)焊(han)(han)供氣(qi)(qi)系統的氣(qi)(qi)路(lu)要(yao)比(bi)鎢極氬弧(hu)焊(han)(han)復雜，見圖5-15。等離子(zi)弧(hu)焊(han)(han)如采用混(hun)氫混(hun)合氣(qi)(qi)體時，必須保(bao)證供氣(qi)(qi)系統中不能漏氣(qi)(qi)，否則(ze)會有引起爆炸的危險。在供氣(qi)(qi)系統中，要(yao)有氣(qi)(qi)流(liu)匯流(liu)裝置進行均流(liu)，均勻地將氣(qi)(qi)分配(pei)給各(ge)路(lu)氣(qi)(qi)路(lu)；還要(yao)有貯(zhu)氣(qi)(qi)筒，對(dui)離子(zi)氣(qi)(qi)進行緩沖。衰減氣(qi)(qi)閥對(dui)結束焊(han)(han)接時的氣(qi)(qi)流(liu)進行衰減。

 等離子弧(hu)焊的水(shui)路與鎢極(ji)氬弧(hu)焊的水(shui)路相同。

5. 焊槍

 等離子(zi)(zi)弧(hu)焊(han)槍要比鎢極氬焊(han)焊(han)槍復雜、精密(mi)得(de)多，其(qi)中最主要的部件是離子(zi)(zi)弧(hu)噴(pen)嘴(zui)和保證鎢極與等離子(zi)(zi)噴(pen)嘴(zui)同(tong)心(xin)的裝置。某(mou)型號(hao)300A等離子(zi)(zi)弧(hu)焊(han)槍結構(gou)見圖5-16。

三、等離子弧焊(han)槍的噴嘴

 等(deng)(deng)離子(zi)弧焊槍(qiang)的噴嘴(zui)是(shi)產生等(deng)(deng)離子(zi)弧的關鍵部件，它的設(she)計是(shi)否合(he)理，對保證等(deng)(deng)離子(zi)弧的穩定、正常工(gong)作以及焊接質量具(ju)有決定性作用。

1. 噴嘴的主要結構參數(shu)（圖5-17)

  a. 噴嘴(zui)孔徑d

   噴嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑d,它決定(ding)等(deng)離(li)子弧直徑的(de)(de)(de)大(da)小(xiao)(xiao)。噴嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑d決定(ding)了(le)應使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)電流(liu)(liu)(liu)和(he)離(li)子氣流(liu)(liu)(liu)量，也可以(yi)依據焊(han)(han)接(jie)電流(liu)(liu)(liu)和(he)離(li)子氣流(liu)(liu)(liu)量先擇噴嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑d的(de)(de)(de)大(da)小(xiao)(xiao)。總(zong)之(zhi)，d越大(da)則(ze)壓縮(suo)作用(yong)(yong)越小(xiao)(xiao)，當d過于大(da)對(dui)則(ze)無壓縮(suo)效果；而d過小(xiao)(xiao)時，則(ze)會引起(qi)雙弧（圖5-47),破(po)壞了(le)等(deng)離(li)子弧的(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。因此(ci)，對(dui)于給定(ding)的(de)(de)(de)d值，有一個合理的(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)電流(liu)(liu)(liu)使用(yong)(yong)范圍。表5-2列出(chu)了(le)常用(yong)(yong)的(de)(de)(de)某型號噴嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑d及其焊(han)(han)接(jie)電流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)(de)使用(yong)(yong)范圍，供參(can)考。

  b. 噴(pen)嘴(zui)孔長度L

 當(dang)噴(pen)嘴孔(kong)徑d給定時，噴(pen)嘴孔(kong)長度（深度）L的增加(jia)，則壓縮作用加(jia)強。常以L/d表(biao)示噴(pen)嘴孔(kong)道(dao)壓縮特(te)征，稱之為孔(kong)道(dao)比（表(biao)5-3).

  c. 錐角 α

   錐角α又稱(cheng)壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)角，實際上它對等離(li)(li)子弧壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)狀態影響不(bu)大(da)，特(te)別是當離(li)(li)子氣流量較小(xiao)，L/d較小(xiao)時。但壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)角小(xiao)時，能增強對電弧的壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)作用。一般(ban)應注意和鎢極(ji)端部形狀相配合，以利于陰極(ji)斑點置于鎢極(ji)頂端而不(bu)上漂。常用的壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)角α值(zhi)為(wei)60°~75°。

 d. 壓縮通(tong)道的形狀

 多數噴(pen)嘴采用圓柱形壓縮(suo)通道，但也有(you)采用圓錐形、臺階圓柱形等(deng)擴散型噴(pen)嘴。這(zhe)類噴(pen)嘴降低了壓縮(suo)程(cheng)度(du)，有(you)利于提高等(deng)離子弧(hu)的穩定性和噴(pen)嘴使(shi)用壽命。擴散型噴(pen)嘴結構見圖5-18。

 除了單孔(kong)(kong)型（圖5-17a)噴(pen)(pen)嘴外，還有(you)多孔(kong)(kong)型噴(pen)(pen)嘴。例如，兩側帶有(you)2個(ge)輔助小孔(kong)(kong)的焊(han)接噴(pen)(pen)嘴（圖5-17b),可使(shi)等離子弧(hu)的橫截面由(you)圓(yuan)(yuan)形變(bian)為(wei)橢圓(yuan)(yuan)形，使(shi)熱源有(you)效功率密度(du)(du)提高，有(you)利(li)(li)于進一步提高焊(han)速和減小焊(han)縫及熱影響(xiang)區寬(kuan)度(du)(du)。四周帶有(you)多個(ge)小孔(kong)(kong)的噴(pen)(pen)嘴（圖5-17c)可使(shi)等離子弧(hu)在噴(pen)(pen)嘴外得到(dao)二次壓縮，用(yong)于切(qie)割(ge)，有(you)利(li)(li)于進一步提高等離子弧(hu)挺(ting)度(du)(du)及切(qie)口(kou)質量(liang)；但過多的小孔(kong)(kong)易受金屬飛濺物(wu)堵塞而失去其有(you)利(li)(li)作用(yong)并(bing)造成不利(li)(li)的等離子弧(hu)偏轉，因此并(bing)未得到(dao)廣泛應(ying)用(yong)。

2. 噴嘴的材料和(he)冷卻

等(deng)(deng)離(li)(li)子弧焊的(de)噴嘴應(ying)采用(yong)導熱(re)性良好的(de)紫銅(tong)制成，大(da)功率（電流）噴嘴還必須采用(yong)直接水(shui)(shui)(shui)冷(leng)(leng)，并(bing)保證(zheng)冷(leng)(leng)卻(que)水(shui)(shui)(shui)有足夠的(de)流量和壓力，最(zui)好配備(bei)專用(yong)高(gao)壓冷(leng)(leng)卻(que)裝置(zhi)。大(da)功率等(deng)(deng)離(li)(li)子弧焊槍應(ying)采用(yong)循環的(de)高(gao)壓蒸餾水(shui)(shui)(shui)直接冷(leng)(leng)卻(que)槍體，冷(leng)(leng)卻(que)水(shui)(shui)(shui)再經熱(re)交換(huan)器散熱(re)后循環使(shi)用(yong)。為(wei)了(le)提高(gao)冷(leng)(leng)卻(que)效果，噴嘴的(de)壁厚一般(ban)在2mm~2.5mm之間。