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、等離子弧的特性
1. 靜(jing)態(tai)特性
等離子弧的靜態(tai)特(te)性仍(reng)然呈U型(xing)曲線，但具有(you)以下特(te)點：
a. 由于冷壁(bi)噴嘴的拘束作用使弧柱橫截(jie)面積受到限制，弧柱電(dian)場(chang)強度增(zeng)大，電(dian)弧電(dian)壓明顯提高，U型(xing)特性的平直區較(jiao)自由電(dian)弧明顯縮(suo)小。
b. 拘束孔道(dao)的尺寸和形狀對(dui)靜(jing)特(te)性(xing)有(you)明顯的影響，噴嘴孔徑越小(xiao)(xiao)，U型特(te)性(xing)平直區域(yu)就越小(xiao)(xiao)，上升段(duan)斜率增大，即弧(hu)柱電場強度增大。
c. 離子氣(qi)的種(zhong)類(lei)和流量不同(tong)時，弧柱的電場強(qiang)度將有(you)明顯變化(hua)。因此，用(yong)于(yu)等離子弧焊的電源空(kong)載電壓應按所用(yong)等離子氣(qi)種(zhong)類(lei)而定(ding)。
d. 如(ru)果采(cai)用聯合型(xing)等離(li)(li)子弧(hu)，轉移弧(hu)U型(xing)特性下降區段斜(xie)率明顯減小，這是由于(yu)非轉移弧(hu)的存在(zai)為(wei)轉移弧(hu)提供了導電通路(lu)之故。因此小電流微束等離(li)(li)子弧(hu)常采(cai)用混(hun)合型(xing)弧(hu)，以提高其穩定(ding)性。
2. 熱源(yuan)特性
a. 溫度和能(neng)量密度
等(deng)離子弧(hu)的(de)弧(hu)柱(zhu)溫度(du)高(gao)(gao)，能量(liang)密度(du)大。從(cong)圖5-9和圖5-10可以(yi)看出(chu)，等(deng)離子弧(hu)對焊件加熱集(ji)中，熔(rong)透(tou)力強，焊接時速度(du)要比(bi)氬弧(hu)焊快(kuai)得多，從(cong)而可提高(gao)(gao)焊接生產(chan)效率。普通鎢極氬弧(hu)的(de)最高(gao)(gao)溫度(du)為10000K~24000K,能量(liang)密度(du)小于10kW/c㎡;而等(deng)離子弧(hu)的(de)溫度(du)可高(gao)(gao)達24000K~50000K,能量(liang)密度(du)可達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此，等離子弧焊(han)的焊(han)縫截面(mian)形狀較窄，深(shen)寬比(bi)(bi)大，無疑焊(han)件(jian)變(bian)形就小(xiao)。等離子弧焊(han)和鎢極(ji)氬弧焊(han)深(shen)寬比(bi)(bi)比(bi)(bi)較見(jian)圖5-11。
等離子(zi)弧(hu)溫度和能量密度高的原(yuan)因是：
①. 水冷噴(pen)嘴孔徑限定了(le)弧柱橫(heng)截面積不能(neng)自由擴大，這(zhe)種拘束(shu)作(zuo)用(yong)稱(cheng)為機(ji)械壓縮(suo)作(zuo)用(yong)。
②. 噴(pen)嘴水冷(leng)作(zuo)用使靠(kao)近(jin)噴(pen)嘴內壁的(de)(de)(de)(de)氣體也受到(dao)強烈(lie)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻作(zuo)用，并且溫(wen)(wen)度(du)和電離度(du)均迅(xun)速下降，迫使弧(hu)(hu)(hu)柱(zhu)區電流集(ji)中(zhong)到(dao)弧(hu)(hu)(hu)柱(zhu)中(zhong)心的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)高(gao)電離度(du)區。這樣(yang)由于冷(leng)壁而在弧(hu)(hu)(hu)柱(zhu)四周產生一(yi)層電離度(du)趨近(jin)于零(ling)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)氣膜，從而使弧(hu)(hu)(hu)柱(zhu)有效(xiao)橫截面進(jin)一(yi)步減小，電流密(mi)度(du)進(jin)一(yi)步提(ti)高(gao)。這種使弧(hu)(hu)(hu)柱(zhu)溫(wen)(wen)度(du)和能(neng)量密(mi)度(du)提(ti)高(gao)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用通常又稱為(wei)熱收縮效(xiao)應。
③. 由于以(yi)上兩個(ge)收(shou)縮(suo)效應的(de)存在，弧(hu)柱(zhu)(zhu)電流(liu)密度增大(da)以(yi)后，弧(hu)柱(zhu)(zhu)電流(liu)線之間的(de)電磁收(shou)縮(suo)作用(yong)也進(jin)一步(bu)增強，致使弧(hu)柱(zhu)(zhu)溫度和能(neng)量密度進(jin)一步(bu)提高。以(yi)上3個(ge)因素中，噴(pen)嘴機械拘束(shu)是前提條件，而熱收(shou)縮(suo)則是最本質的(de)原因。
等(deng)(deng)離子弧溫度(du)(du)和能量(liang)密度(du)(du)的顯著提高，弧柱近(jin)似于圓柱形，使等(deng)(deng)離子弧的穩(wen)定性和挺直度(du)(du)變得更好(hao)。自由電弧（如鎢極氬(ya)弧焊）的擴散(san)角約(yue)為(wei)(wei)45°,等(deng)(deng)離子弧擴散(san)角約(yue)為(wei)(wei)5°(圖5-12),這(zhe)是因為(wei)(wei)壓縮后從噴(pen)嘴口噴(pen)射出的等(deng)(deng)離子弧帶電質點(dian)運動速(su)(su)度(du)(du)明顯提高所(suo)致，速(su)(su)度(du)(du)最(zui)高可達300m/s(跟噴(pen)嘴結構、離子氣種(zhong)類和流量(liang)有關）。
圖5-13是等離子(zi)弧(hu)(hu)焊(han)和鎢(wu)極(ji)(ji)氬弧(hu)(hu)焊(han)時(shi)，弧(hu)(hu)長波動時(shi)對焊(han)縫(feng)(feng)熔(rong)深(shen)的(de)影(ying)響。當(dang)等離子(zi)弧(hu)(hu)長（實際上(shang)是噴嘴端(duan)面到焊(han)件表面的(de)距離）從3mm增大到8mm時(shi)，對焊(han)縫(feng)(feng)熔(rong)深(shen)幾(ji)乎不產生影(ying)響；而(er)鎢(wu)極(ji)(ji)氬弧(hu)(hu)孤長從1.5mm增大到2.5mm時(shi)，焊(han)縫(feng)(feng)的(de)熔(rong)深(shen)就明顯下降。
b. 熱源成(cheng)分
普(pu)通(tong)鎢極(ji)(ji)氬(ya)弧焊(han)(han)中，加(jia)熱(re)焊(han)(han)件的熱(re)量主(zhu)要(yao)(yao)來源于陽極(ji)(ji)斑點，弧柱輻射熱(re)和傳(chuan)導熱(re)僅起輔助作用。在(zai)等離(li)子(zi)弧焊(han)(han)中，情況則有變化，弧柱高(gao)速等離(li)子(zi)體通(tong)過接觸傳(chuan)導和輻射帶給焊(han)(han)件的熱(re)量明顯增(zeng)加(jia)，甚至可能成為主(zhu)要(yao)(yao)的熱(re)量來源，而陽極(ji)(ji)熱(re)則降為次要(yao)(yao)地位。
3. 等離子弧的(de)基本形式
等離子(zi)弧按電源的接法和產(chan)生形(xing)式(shi)的不同，可分為轉移(yi)型、非轉移(yi)型和聯合型3種基本形(xing)式(shi)，如圖5-14所(suo)示(shi)。
a. 轉移型等離子弧
等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)是在電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和工件之間(jian)燃(ran)燒(shao)，但(dan)由于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)內(nei)縮于(yu)等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)噴(pen)嘴內(nei)，難以直接形成等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)，所以必須先在電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴之間(jian)引(yin)燃(ran)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)（水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴既(ji)是電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)的(de)一極(ji)(ji)，又(you)起著冷(leng)壁拘束(shu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)的(de)作用），再轉移為電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)在電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與(yu)(yu)工件之間(jian)燃(ran)燒(shao)。這種借助于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與(yu)(yu)水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴再轉移為電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與(yu)(yu)工件之間(jian)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)稱(cheng)為轉移弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)（圖(tu)5-14a).由于(yu)轉移型等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)的(de)陽極(ji)(ji)斑點(dian)處(chu)于(yu)工件上(shang)，直接加熱(re)工件，使(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)熱(re)量的(de)有效利用率(lv)提高(gao)，同時轉移型等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)具有很高(gao)的(de)動能和沖擊力，特別適(shi)合于(yu)焊接。
b. 非轉移型(xing)等(deng)離子弧
電(dian)源接(jie)于電(dian)極(ji)(ji)和噴(pen)嘴(zui)之間，工(gong)件不接(jie)入焊接(jie)回(hui)路，鎢極(ji)(ji)為(wei)陰極(ji)(ji)，噴(pen)嘴(zui)為(wei)陽(yang)極(ji)(ji)，等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)在電(dian)極(ji)(ji)和水冷(leng)噴(pen)嘴(zui)之間引燃電(dian)弧(hu)(hu)（水冷(leng)噴(pen)嘴(zui)既是電(dian)弧(hu)(hu)的一極(ji)(ji)，又(you)(you)起(qi)著冷(leng)壁拘束電(dian)弧(hu)(hu)的作用）噴(pen)出，形成的等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)稱為(wei)非轉(zhuan)移型等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)，又(you)(you)叫等(deng)離子(zi)(zi)焰，見圖5-14b。
因(yin)為非轉移型等離子弧對工件的(de)加熱是間接的(de)，傳(chuan)到工件上的(de)熱量(liang)較(jiao)少，只適(shi)用(yong)于焊接薄(bo)板和(he)等離子噴(pen)涂(tu)，這(zhe)里就不(bu)再詳(xiang)細介紹(shao)。
c. 聯合型等離(li)子弧
轉(zhuan)移型(xing)等離(li)子(zi)弧和非轉(zhuan)移型(xing)等離(li)子(zi)弧同時存在的等離(li)子(zi)弧，稱為(wei)聯合型(xing)等離(li)子(zi)弧，如圖5-14c所(suo)示。這種等離(li)子(zi)弧焊很少采用，這里(li)就不再(zai)詳細介(jie)紹。
二、等離(li)子弧焊設(she)備
1. 焊接電源
具有(you)下降或(huo)垂直陡降特(te)性的(de)直流(liu)電(dian)(dian)源(yuan)（與鎢極(ji)氬(ya)弧(hu)焊的(de)電(dian)(dian)源(yuan)相(xiang)同）都(dou)可供等離(li)子(zi)弧(hu)焊使用(yong)。用(yong)純氬(ya)氣(qi)做(zuo)離(li)子(zi)氣(qi)時，電(dian)(dian)源(yuan)空載電(dian)(dian)壓只需(xu)65V~80V;用(yong)氬(ya)＋氫混合氣(qi)做(zuo)離(li)子(zi)氣(qi)時，電(dian)(dian)源(yuan)空載電(dian)(dian)壓需(xu)110V~120V.若無合適(shi)的(de)專用(yong)電(dian)(dian)源(yuan)，可用(yong)兩臺普(pu)通直流(liu)弧(hu)焊電(dian)(dian)源(yuan)串聯使用(yong)。大電(dian)(dian)流(liu)等離(li)子(zi)弧(hu)焊都(dou)采(cai)(cai)用(yong)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)型(xing)弧(hu)，用(yong)高頻引燃非轉(zhuan)(zhuan)移(yi)弧(hu)，然后轉(zhuan)(zhuan)移(yi)成(cheng)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)弧(hu)。因此(ci)，一(yi)般可以采(cai)(cai)用(yong)一(yi)臺焊接(jie)電(dian)(dian)源(yuan)，用(yong)串接(jie)電(dian)(dian)阻的(de)方(fang)法向電(dian)(dian)極(ji)和水冷噴嘴(zui)回路提供產生非轉(zhuan)(zhuan)移(yi)弧(hu)所需(xu)要的(de)較低電(dian)(dian)流(liu)，見圖5-14a。
2. 引弧裝置
等離子弧焊的引弧裝(zhuang)置(zhi)與鎢極氬弧焊的引弧裝(zhuang)置(zhi)基(ji)本相(xiang)同。
3. 控制系統
使(shi)用兩套電源時，需能分別調(diao)節(jie)非轉移(yi)(yi)弧(hu)和(he)轉移(yi)(yi)弧(hu)的電流，其余(yu)與鎢極氬弧(hu)焊類似。遇復雜情況(kuang)，還需能控(kong)制離(li)子氣的遞增(zeng)和(he)衰減。
4. 氣路(lu)和水路(lu)
等離(li)子弧(hu)焊(han)供氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統的氣(qi)(qi)(qi)路(lu)要(yao)比鎢極氬弧(hu)焊(han)復雜，見圖5-15。等離(li)子弧(hu)焊(han)如采用混氫混合氣(qi)(qi)(qi)體時(shi)，必須保證供氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統中不能漏(lou)氣(qi)(qi)(qi)，否則會(hui)有(you)引起(qi)爆炸的危險。在供氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統中，要(yao)有(you)氣(qi)(qi)(qi)流匯流裝置進(jin)行均(jun)(jun)流，均(jun)(jun)勻地將氣(qi)(qi)(qi)分(fen)配給各路(lu)氣(qi)(qi)(qi)路(lu)；還(huan)要(yao)有(you)貯氣(qi)(qi)(qi)筒，對離(li)子氣(qi)(qi)(qi)進(jin)行緩(huan)沖(chong)。衰減氣(qi)(qi)(qi)閥對結束焊(han)接時(shi)的氣(qi)(qi)(qi)流進(jin)行衰減。
等離子弧(hu)焊(han)的水(shui)路與鎢極(ji)氬弧(hu)焊(han)的水(shui)路相同。
5. 焊槍
等離子(zi)弧(hu)焊槍(qiang)要比鎢(wu)極氬焊焊槍(qiang)復(fu)雜、精密得多，其中最主要的部件是離子(zi)弧(hu)噴嘴(zui)和保(bao)證鎢(wu)極與等離子(zi)噴嘴(zui)同(tong)心的裝置(zhi)。某型(xing)號300A等離子(zi)弧(hu)焊槍(qiang)結構見圖5-16。
三、等離子弧(hu)焊槍(qiang)的噴嘴
等(deng)離子(zi)弧焊(han)槍的噴嘴是(shi)(shi)產生(sheng)等(deng)離子(zi)弧的關鍵(jian)部件(jian)，它的設計是(shi)(shi)否合(he)理，對(dui)保證等(deng)離子(zi)弧的穩(wen)定、正常工(gong)作以及焊(han)接質量具有決定性作用(yong)。
1. 噴嘴(zui)的主(zhu)要結(jie)構參數（圖(tu)5-17)
a. 噴嘴孔徑d
噴嘴孔徑(jing)(jing)(jing)d,它決(jue)定等(deng)離(li)子(zi)弧直徑(jing)(jing)(jing)的(de)(de)大小。噴嘴孔徑(jing)(jing)(jing)d決(jue)定了(le)應使(shi)用的(de)(de)焊接電(dian)流(liu)和離(li)子(zi)氣(qi)流(liu)量(liang)(liang)，也可以(yi)依據焊接電(dian)流(liu)和離(li)子(zi)氣(qi)流(liu)量(liang)(liang)先擇噴嘴孔徑(jing)(jing)(jing)d的(de)(de)大小。總之，d越大則(ze)壓縮作(zuo)用越小，當d過(guo)(guo)于大對則(ze)無壓縮效果；而d過(guo)(guo)小時(shi)，則(ze)會(hui)引起(qi)雙弧（圖5-47),破壞了(le)等(deng)離(li)子(zi)弧的(de)(de)穩定性。因此，對于給(gei)定的(de)(de)d值，有一個(ge)合理(li)的(de)(de)焊接電(dian)流(liu)使(shi)用范圍(wei)。表(biao)5-2列出(chu)了(le)常用的(de)(de)某型號噴嘴孔徑(jing)(jing)(jing)d及其焊接電(dian)流(liu)的(de)(de)使(shi)用范圍(wei)，供參(can)考(kao)。
b. 噴嘴孔長(chang)度L
當噴(pen)嘴孔徑d給(gei)定時，噴(pen)嘴孔長度（深度）L的增加，則壓縮作用加強。常以L/d表示噴(pen)嘴孔道壓縮特征，稱之(zhi)為孔道比（表5-3).
c. 錐角 α
錐角(jiao)α又稱(cheng)壓縮(suo)(suo)角(jiao)，實(shi)際上(shang)(shang)它對等離子弧壓縮(suo)(suo)狀態(tai)影(ying)響不大，特別是(shi)當離子氣流量較小(xiao)(xiao)，L/d較小(xiao)(xiao)時。但壓縮(suo)(suo)角(jiao)小(xiao)(xiao)時，能增(zeng)強對電弧的壓縮(suo)(suo)作用。一般應(ying)注意和鎢極端(duan)部形狀相配合，以利于陰極斑點(dian)置(zhi)于鎢極頂端(duan)而不上(shang)(shang)漂。常用的壓縮(suo)(suo)角(jiao)α值為60°~75°。
d. 壓縮通道的(de)形狀(zhuang)
多數噴嘴(zui)(zui)采用(yong)圓柱(zhu)形(xing)壓縮(suo)通道，但也有采用(yong)圓錐形(xing)、臺階圓柱(zhu)形(xing)等擴散型噴嘴(zui)(zui)。這(zhe)類噴嘴(zui)(zui)降低了壓縮(suo)程度，有利(li)于提高等離子弧的(de)穩定性和噴嘴(zui)(zui)使用(yong)壽命(ming)。擴散型噴嘴(zui)(zui)結(jie)構見圖5-18。
除了單孔型(xing)（圖5-17a)噴(pen)嘴外(wai)，還有(you)多(duo)孔型(xing)噴(pen)嘴。例(li)如，兩側帶有(you)2個輔(fu)助小(xiao)(xiao)孔的焊接噴(pen)嘴（圖5-17b),可(ke)使等(deng)離子(zi)弧的橫截面由圓形變為橢圓形，使熱源有(you)效功率密度提高(gao)，有(you)利(li)于進一(yi)(yi)步提高(gao)焊速和(he)減小(xiao)(xiao)焊縫及熱影響區寬度。四(si)周帶有(you)多(duo)個小(xiao)(xiao)孔的噴(pen)嘴（圖5-17c)可(ke)使等(deng)離子(zi)弧在噴(pen)嘴外(wai)得到二次壓縮，用于切割，有(you)利(li)于進一(yi)(yi)步提高(gao)等(deng)離子(zi)弧挺(ting)度及切口質量；但過多(duo)的小(xiao)(xiao)孔易(yi)受金屬飛(fei)濺物堵塞而失去其(qi)有(you)利(li)作(zuo)用并造(zao)成(cheng)不利(li)的等(deng)離子(zi)弧偏轉(zhuan)，因此并未得到廣泛應用。
2. 噴嘴的(de)材料和冷卻
等離子(zi)弧(hu)(hu)焊的(de)(de)噴(pen)嘴應采用(yong)導熱(re)性良好(hao)的(de)(de)紫銅制(zhi)成，大功(gong)率（電(dian)流）噴(pen)嘴還必須采用(yong)直接(jie)(jie)水(shui)冷，并保(bao)證冷卻水(shui)有足夠的(de)(de)流量和(he)壓(ya)力，最好(hao)配(pei)備專用(yong)高(gao)壓(ya)冷卻裝置(zhi)。大功(gong)率等離子(zi)弧(hu)(hu)焊槍(qiang)應采用(yong)循(xun)環(huan)的(de)(de)高(gao)壓(ya)蒸餾水(shui)直接(jie)(jie)冷卻槍(qiang)體，冷卻水(shui)再經熱(re)交換器散熱(re)后循(xun)環(huan)使用(yong)。為了提高(gao)冷卻效(xiao)果，噴(pen)嘴的(de)(de)壁(bi)厚一般在2mm~2.5mm之間。
