等離子弧(hu)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(deng)離子弧的(de)特(te)性(xing)

1. 靜態特性

 等離子弧(hu)的靜態特性仍然呈U型曲線，但具有以下(xia)特點：

  a. 由于冷(leng)壁噴嘴的拘束(shu)作用使弧柱橫截面積(ji)受到(dao)限制，弧柱電場強度增大，電弧電壓明顯提高(gao)，U型特性(xing)的平直區(qu)較(jiao)自由電弧明顯縮小。

  b. 拘束孔(kong)道的尺寸(cun)和形狀(zhuang)對靜特性有明(ming)顯的影響(xiang)，噴(pen)嘴孔(kong)徑越(yue)小，U型特性平直區(qu)域就越(yue)小，上升段斜率增大(da)，即(ji)弧柱(zhu)電場(chang)強度增大(da)。

  c. 離(li)子(zi)(zi)氣的(de)種類和(he)流量不同時，弧柱的(de)電場強度將有明顯變(bian)化(hua)。因此，用于等離(li)子(zi)(zi)弧焊的(de)電源空(kong)載電壓應按所用等離(li)子(zi)(zi)氣種類而定。

  d. 如果采(cai)用聯合(he)型等離子弧(hu)(hu)(hu)，轉(zhuan)移弧(hu)(hu)(hu)U型特性(xing)下降區(qu)段斜(xie)率明(ming)顯(xian)減小，這是由于非(fei)轉(zhuan)移弧(hu)(hu)(hu)的存在(zai)為(wei)轉(zhuan)移弧(hu)(hu)(hu)提供(gong)了導電通路(lu)之故。因此(ci)小電流微束等離子弧(hu)(hu)(hu)常采(cai)用混(hun)合(he)型弧(hu)(hu)(hu)，以提高(gao)其穩定性(xing)。

2. 熱(re)源特性(xing)

  a. 溫度(du)和能量密度(du)

   等離子弧(hu)的(de)(de)弧(hu)柱溫度(du)高(gao)(gao)(gao)，能(neng)(neng)量密度(du)大。從圖5-9和圖5-10可以看出，等離子弧(hu)對焊件加熱集(ji)中，熔透力強(qiang)，焊接(jie)時速度(du)要比氬弧(hu)焊快得多(duo)，從而(er)可提高(gao)(gao)(gao)焊接(jie)生產效率。普通鎢極氬弧(hu)的(de)(de)最(zui)高(gao)(gao)(gao)溫度(du)為10000K~24000K,能(neng)(neng)量密度(du)小于10kW/c㎡;而(er)等離子弧(hu)的(de)(de)溫度(du)可高(gao)(gao)(gao)達24000K~50000K,能(neng)(neng)量密度(du)可達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.

   因(yin)此，等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊的焊縫截面形(xing)狀(zhuang)較(jiao)(jiao)窄(zhai)，深寬比大，無(wu)疑焊件變形(xing)就(jiu)小。等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊和鎢極氬弧(hu)焊深寬比比較(jiao)(jiao)見圖(tu)5-11。

  等離子弧溫度(du)和能量密度(du)高的原因(yin)是：

   ①. 水冷噴(pen)嘴(zui)孔徑限定(ding)了弧柱橫截面(mian)積(ji)不能自由(you)擴(kuo)大，這種拘束作用(yong)(yong)稱為機械壓縮作用(yong)(yong)。

   ②. 噴(pen)嘴水冷(leng)作用(yong)使(shi)靠(kao)近(jin)噴(pen)嘴內(nei)壁(bi)的氣體也(ye)受到強烈的冷(leng)卻作用(yong)，并且溫度(du)(du)(du)(du)和電離(li)(li)度(du)(du)(du)(du)均迅速下降，迫使(shi)弧(hu)柱區電流集中(zhong)到弧(hu)柱中(zhong)心的高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)電離(li)(li)度(du)(du)(du)(du)區。這(zhe)樣(yang)由于冷(leng)壁(bi)而在(zai)弧(hu)柱四周產(chan)生一(yi)層電離(li)(li)度(du)(du)(du)(du)趨近(jin)于零的冷(leng)氣膜，從而使(shi)弧(hu)柱有效(xiao)橫截(jie)面(mian)進一(yi)步(bu)減小，電流密度(du)(du)(du)(du)進一(yi)步(bu)提高(gao)(gao)。這(zhe)種(zhong)使(shi)弧(hu)柱溫度(du)(du)(du)(du)和能量密度(du)(du)(du)(du)提高(gao)(gao)的作用(yong)通常又稱為熱收縮效(xiao)應。

  ③. 由于以上兩個收縮效應的存(cun)在，弧(hu)柱(zhu)電(dian)流(liu)密度(du)增大以后，弧(hu)柱(zhu)電(dian)流(liu)線(xian)之間的電(dian)磁收縮作(zuo)用(yong)也進(jin)一(yi)步增強，致使弧(hu)柱(zhu)溫度(du)和(he)能量(liang)密度(du)進(jin)一(yi)步提(ti)高。以上3個因(yin)素中，噴嘴機械拘束是前提(ti)條(tiao)件(jian)，而熱收縮則是最本質的原因(yin)。

  等離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)溫度(du)和能量密度(du)的顯(xian)著提高(gao)，弧(hu)(hu)(hu)柱近似于(yu)圓柱形，使等離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)的穩定性和挺(ting)直度(du)變得更(geng)好。自由電弧(hu)(hu)(hu)（如鎢(wu)極氬弧(hu)(hu)(hu)焊）的擴散(san)(san)角約為45°,等離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)擴散(san)(san)角約為5°(圖(tu)5-12),這是(shi)因為壓縮后從噴嘴(zui)口噴射出的等離子(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)帶電質(zhi)點運動速(su)度(du)明顯(xian)提高(gao)所致，速(su)度(du)最高(gao)可達300m/s(跟噴嘴(zui)結(jie)構、離子(zi)(zi)(zi)氣種類和流量有(you)關）。

  圖5-13是等離子(zi)弧(hu)(hu)焊(han)和鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)焊(han)時，弧(hu)(hu)長(chang)(chang)波動(dong)時對焊(han)縫熔深的影(ying)響。當等離子(zi)弧(hu)(hu)長(chang)(chang)（實(shi)際上是噴嘴端面到(dao)焊(han)件(jian)表面的距(ju)離）從3mm增大到(dao)8mm時，對焊(han)縫熔深幾乎不(bu)產生影(ying)響；而鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)孤長(chang)(chang)從1.5mm增大到(dao)2.5mm時，焊(han)縫的熔深就明(ming)顯下降。

 b. 熱源成分(fen)

  普通鎢(wu)極氬弧焊中(zhong)，加熱焊件的(de)熱量主(zhu)要(yao)(yao)來源于(yu)陽極斑點，弧柱(zhu)輻(fu)射熱和(he)傳導熱僅(jin)起輔助作用。在等離(li)子(zi)弧焊中(zhong)，情(qing)況則有變化(hua)，弧柱(zhu)高速等離(li)子(zi)體通過(guo)接觸傳導和(he)輻(fu)射帶給焊件的(de)熱量明顯(xian)增加，甚至可能(neng)成為主(zhu)要(yao)(yao)的(de)熱量來源，而陽極熱則降為次(ci)要(yao)(yao)地位。

3. 等離子弧(hu)的基本形式

 等離(li)子弧按(an)電(dian)源的接法(fa)和產(chan)生形(xing)式(shi)(shi)的不同(tong)，可(ke)分(fen)為轉移型、非轉移型和聯(lian)合型3種基本形(xing)式(shi)(shi)，如圖5-14所示。

  a. 轉(zhuan)移型(xing)等離子(zi)弧

  等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)是(shi)在電(dian)(dian)極(ji)和(he)工件之間(jian)燃(ran)燒(shao)，但由(you)于(yu)(yu)(yu)電(dian)(dian)極(ji)內縮(suo)于(yu)(yu)(yu)等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)噴(pen)嘴(zui)(zui)內，難以直接(jie)形成等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)，所(suo)以必須先(xian)在電(dian)(dian)極(ji)和(he)水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴(zui)(zui)之間(jian)引燃(ran)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)（水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴(zui)(zui)既是(shi)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)(de)(de)一極(ji)，又起著冷(leng)壁拘束電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)(de)(de)作用(yong)），再(zai)轉移為電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)在電(dian)(dian)極(ji)與(yu)工件之間(jian)燃(ran)燒(shao)。這種借助于(yu)(yu)(yu)電(dian)(dian)極(ji)與(yu)水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴(zui)(zui)再(zai)轉移為電(dian)(dian)極(ji)與(yu)工件之間(jian)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)稱為轉移弧(hu)(hu)(hu)（圖5-14a).由(you)于(yu)(yu)(yu)轉移型等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)(de)(de)陽極(ji)斑點(dian)處于(yu)(yu)(yu)工件上，直接(jie)加熱工件，使電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)熱量的(de)(de)(de)(de)有(you)效利用(yong)率提高(gao)，同時轉移型等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)具有(you)很高(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)能和(he)沖擊力，特別適合于(yu)(yu)(yu)焊接(jie)。

  b. 非轉移(yi)型(xing)等離子弧

  電(dian)(dian)源(yuan)接(jie)于(yu)電(dian)(dian)極和(he)噴(pen)嘴(zui)之間(jian)，工件(jian)不接(jie)入焊接(jie)回路(lu)，鎢極為(wei)陰極，噴(pen)嘴(zui)為(wei)陽(yang)極，等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)在電(dian)(dian)極和(he)水冷(leng)(leng)噴(pen)嘴(zui)之間(jian)引燃電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)（水冷(leng)(leng)噴(pen)嘴(zui)既是電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)一(yi)極，又起著(zhu)冷(leng)(leng)壁拘束電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)作用(yong)）噴(pen)出，形(xing)成(cheng)的(de)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)稱(cheng)為(wei)非轉(zhuan)移型等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)，又叫等(deng)離(li)(li)子(zi)焰，見圖5-14b。

  因為非轉(zhuan)移(yi)型(xing)等離(li)子弧對工(gong)件的(de)加熱是間接的(de)，傳到工(gong)件上的(de)熱量較少，只適用(yong)于焊接薄(bo)板和等離(li)子噴涂(tu)，這里就不再詳細介紹。

 c. 聯合型等離子弧

 轉移型(xing)等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)和非轉移型(xing)等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)同時存在的等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)，稱為聯合型(xing)等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)，如圖5-14c所(suo)示。這(zhe)種等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)焊很(hen)少采用，這(zhe)里就不再詳(xiang)細介(jie)紹。

二(er)、等離(li)子(zi)弧(hu)焊設(she)備

1. 焊接電源(yuan)

具(ju)有下降或垂直陡降特(te)性的(de)直流(liu)(liu)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)（與鎢極(ji)(ji)氬弧(hu)焊(han)的(de)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)相同）都可(ke)供等離子(zi)弧(hu)焊(han)使用(yong)。用(yong)純氬氣(qi)做離子(zi)氣(qi)時，電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)空(kong)載電(dian)(dian)壓只需(xu)65V~80V;用(yong)氬＋氫混合氣(qi)做離子(zi)氣(qi)時，電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)空(kong)載電(dian)(dian)壓需(xu)110V~120V.若無合適的(de)專用(yong)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，可(ke)用(yong)兩臺普通直流(liu)(liu)弧(hu)焊(han)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)串(chuan)聯使用(yong)。大電(dian)(dian)流(liu)(liu)等離子(zi)弧(hu)焊(han)都采用(yong)轉(zhuan)移(yi)型弧(hu)，用(yong)高頻引(yin)燃非轉(zhuan)移(yi)弧(hu)，然后轉(zhuan)移(yi)成轉(zhuan)移(yi)弧(hu)。因此，一(yi)般可(ke)以(yi)采用(yong)一(yi)臺焊(han)接(jie)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，用(yong)串(chuan)接(jie)電(dian)(dian)阻的(de)方法向電(dian)(dian)極(ji)(ji)和水冷噴嘴回(hui)路(lu)提供產生非轉(zhuan)移(yi)弧(hu)所需(xu)要的(de)較(jiao)低(di)電(dian)(dian)流(liu)(liu)，見圖(tu)5-14a。

2. 引(yin)弧(hu)裝(zhuang)置

 等離子弧焊的引弧裝置與鎢極氬弧焊的引弧裝置基本相同(tong)。

3. 控(kong)制(zhi)系統(tong)

使用兩(liang)套電源時(shi)，需(xu)能分別(bie)調節非轉移(yi)(yi)弧和轉移(yi)(yi)弧的(de)電流(liu)，其余與(yu)鎢(wu)極氬弧焊類似。遇復(fu)雜情況，還(huan)需(xu)能控制離子氣(qi)的(de)遞增和衰減(jian)。

4. 氣(qi)路(lu)和水路(lu)

 等離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)焊供氣(qi)(qi)(qi)系統的(de)氣(qi)(qi)(qi)路(lu)要比鎢極氬弧(hu)(hu)焊復雜，見圖5-15。等離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)焊如采用混氫(qing)混合(he)氣(qi)(qi)(qi)體時，必須保證供氣(qi)(qi)(qi)系統中不能(neng)漏氣(qi)(qi)(qi)，否則會有(you)引(yin)起爆炸的(de)危險(xian)。在供氣(qi)(qi)(qi)系統中，要有(you)氣(qi)(qi)(qi)流(liu)匯流(liu)裝置進(jin)行均(jun)流(liu)，均(jun)勻地將(jiang)氣(qi)(qi)(qi)分配給各路(lu)氣(qi)(qi)(qi)路(lu)；還(huan)要有(you)貯(zhu)氣(qi)(qi)(qi)筒，對離子(zi)(zi)氣(qi)(qi)(qi)進(jin)行緩沖。衰減(jian)(jian)氣(qi)(qi)(qi)閥(fa)對結(jie)束(shu)焊接時的(de)氣(qi)(qi)(qi)流(liu)進(jin)行衰減(jian)(jian)。

 等離子弧焊(han)的水(shui)路與鎢極氬弧焊(han)的水(shui)路相(xiang)同。

5. 焊槍(qiang)

 等離子弧(hu)(hu)(hu)焊(han)槍要(yao)比(bi)鎢極氬焊(han)焊(han)槍復雜(za)、精密得多，其中最(zui)主要(yao)的部件是離子弧(hu)(hu)(hu)噴嘴和保證鎢極與等離子噴嘴同心(xin)的裝置。某型號300A等離子弧(hu)(hu)(hu)焊(han)槍結(jie)構見圖(tu)5-16。

三、等離子弧焊槍的噴嘴

 等(deng)離(li)子弧焊槍的噴嘴(zui)是產生等(deng)離(li)子弧的關鍵部件，它的設計(ji)是否合理，對保證等(deng)離(li)子弧的穩(wen)定(ding)、正常(chang)工作(zuo)以及焊接質量(liang)具有決定(ding)性作(zuo)用。

1. 噴嘴的(de)主要(yao)結構參數（圖5-17)

  a. 噴(pen)嘴孔徑d

   噴嘴(zui)(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)d,它決定(ding)等離子(zi)弧直(zhi)徑(jing)的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)小(xiao)(xiao)(xiao)。噴嘴(zui)(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)d決定(ding)了應使(shi)(shi)用(yong)的(de)(de)(de)(de)焊(han)接電流(liu)和離子(zi)氣流(liu)量，也可以依據焊(han)接電流(liu)和離子(zi)氣流(liu)量先(xian)擇噴嘴(zui)(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)d的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)小(xiao)(xiao)(xiao)。總之，d越大(da)(da)則壓(ya)縮(suo)作用(yong)越小(xiao)(xiao)(xiao)，當d過于大(da)(da)對則無壓(ya)縮(suo)效果(guo)；而d過小(xiao)(xiao)(xiao)時，則會引起(qi)雙弧（圖5-47),破壞(huai)了等離子(zi)弧的(de)(de)(de)(de)穩定(ding)性。因此，對于給(gei)定(ding)的(de)(de)(de)(de)d值，有一個(ge)合理(li)的(de)(de)(de)(de)焊(han)接電流(liu)使(shi)(shi)用(yong)范圍。表5-2列出了常(chang)用(yong)的(de)(de)(de)(de)某型(xing)號噴嘴(zui)(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)d及(ji)其(qi)焊(han)接電流(liu)的(de)(de)(de)(de)使(shi)(shi)用(yong)范圍，供參考。

  b. 噴嘴孔長(chang)度L

 當噴嘴孔徑d給定時，噴嘴孔長度（深度）L的增加，則壓縮(suo)作(zuo)用加強。常以L/d表(biao)示(shi)噴嘴孔道壓縮(suo)特征(zheng)，稱之為孔道比（表(biao)5-3).

  c. 錐角 α

   錐角(jiao)(jiao)α又(you)稱壓(ya)縮(suo)角(jiao)(jiao)，實際上(shang)(shang)它對等離子(zi)弧壓(ya)縮(suo)狀態影(ying)響(xiang)不大，特別是當離子(zi)氣流量較(jiao)小(xiao)(xiao)，L/d較(jiao)小(xiao)(xiao)時(shi)。但(dan)壓(ya)縮(suo)角(jiao)(jiao)小(xiao)(xiao)時(shi)，能增強對電弧的(de)壓(ya)縮(suo)作用(yong)。一般應注意和鎢(wu)極(ji)端部形狀相配(pei)合(he)，以利于陰極(ji)斑(ban)點(dian)置于鎢(wu)極(ji)頂端而(er)不上(shang)(shang)漂。常用(yong)的(de)壓(ya)縮(suo)角(jiao)(jiao)α值為60°~75°。

 d. 壓(ya)縮(suo)通道的形狀

 多數噴(pen)(pen)嘴采用圓柱形(xing)壓(ya)縮(suo)(suo)通道，但(dan)也有采用圓錐形(xing)、臺階(jie)圓柱形(xing)等(deng)擴(kuo)(kuo)散型噴(pen)(pen)嘴。這(zhe)類噴(pen)(pen)嘴降低(di)了(le)壓(ya)縮(suo)(suo)程度，有利于提高等(deng)離(li)子弧的穩(wen)定性和噴(pen)(pen)嘴使用壽(shou)命。擴(kuo)(kuo)散型噴(pen)(pen)嘴結構見(jian)圖5-18。

 除了單孔(kong)型（圖(tu)5-17a)噴嘴(zui)(zui)外(wai)，還有(you)(you)多孔(kong)型噴嘴(zui)(zui)。例如，兩側帶(dai)有(you)(you)2個輔助小(xiao)(xiao)孔(kong)的(de)(de)焊接噴嘴(zui)(zui)（圖(tu)5-17b),可使等(deng)(deng)離子弧(hu)的(de)(de)橫截面由圓形(xing)變為(wei)橢(tuo)圓形(xing)，使熱(re)源有(you)(you)效(xiao)功(gong)率密度(du)提高(gao)(gao)，有(you)(you)利(li)(li)于進一步提高(gao)(gao)焊速和(he)減小(xiao)(xiao)焊縫及熱(re)影響區寬(kuan)度(du)。四周帶(dai)有(you)(you)多個小(xiao)(xiao)孔(kong)的(de)(de)噴嘴(zui)(zui)（圖(tu)5-17c)可使等(deng)(deng)離子弧(hu)在噴嘴(zui)(zui)外(wai)得(de)到(dao)二(er)次壓縮(suo)，用于切(qie)(qie)割(ge)，有(you)(you)利(li)(li)于進一步提高(gao)(gao)等(deng)(deng)離子弧(hu)挺度(du)及切(qie)(qie)口質量；但過多的(de)(de)小(xiao)(xiao)孔(kong)易受(shou)金屬飛濺(jian)物堵(du)塞而(er)失去其有(you)(you)利(li)(li)作(zuo)用并造成不利(li)(li)的(de)(de)等(deng)(deng)離子弧(hu)偏轉，因此并未得(de)到(dao)廣泛(fan)應(ying)用。

2. 噴嘴的材料和(he)冷卻

等離子弧焊的(de)噴嘴應(ying)采(cai)用(yong)導熱(re)性(xing)良(liang)好(hao)的(de)紫銅制成，大功(gong)率(lv)(lv)（電流）噴嘴還必須采(cai)用(yong)直(zhi)接水冷(leng)(leng)，并(bing)保證(zheng)冷(leng)(leng)卻(que)水有足夠的(de)流量和壓力，最好(hao)配備(bei)專用(yong)高(gao)壓冷(leng)(leng)卻(que)裝置。大功(gong)率(lv)(lv)等離子弧焊槍應(ying)采(cai)用(yong)循環(huan)的(de)高(gao)壓蒸餾水直(zhi)接冷(leng)(leng)卻(que)槍體，冷(leng)(leng)卻(que)水再經熱(re)交(jiao)換器散熱(re)后循環(huan)使(shi)用(yong)。為了提高(gao)冷(leng)(leng)卻(que)效果，噴嘴的(de)壁厚一般在(zai)2mm~2.5mm之間。