等(deng)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(xing)
1. 靜態特性
等離子弧(hu)的靜態特性仍然呈(cheng)U型(xing)曲線，但具(ju)有以下(xia)特點：
a. 由于冷(leng)壁噴嘴的拘束作用使(shi)弧(hu)(hu)柱橫(heng)截面積(ji)受(shou)到限制，弧(hu)(hu)柱電(dian)(dian)場強度(du)增(zeng)大，電(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)壓(ya)明(ming)顯(xian)提高，U型特性的平直區較(jiao)自由電(dian)(dian)弧(hu)(hu)明(ming)顯(xian)縮小。
b. 拘束孔道的尺寸和(he)形狀對靜特性有明顯的影響，噴嘴(zui)孔徑越(yue)小(xiao)，U型(xing)特性平直區域(yu)就越(yue)小(xiao)，上升(sheng)段斜(xie)率(lv)增(zeng)大，即弧柱電場強度增(zeng)大。
c. 離(li)子氣(qi)(qi)的(de)種(zhong)(zhong)類(lei)和流量不同時，弧柱的(de)電(dian)場強度將有明顯變化。因此，用于等離(li)子弧焊的(de)電(dian)源空載電(dian)壓應按所用等離(li)子氣(qi)(qi)種(zhong)(zhong)類(lei)而定。
d. 如果采(cai)用聯合型等離子弧，轉(zhuan)移弧U型特(te)性下降(jiang)區段斜(xie)率(lv)明顯減小(xiao)，這是由(you)于非轉(zhuan)移弧的存在為轉(zhuan)移弧提供(gong)了導電(dian)通路之故。因此(ci)小(xiao)電(dian)流微(wei)束等離子弧常采(cai)用混合型弧，以(yi)提高(gao)其穩(wen)定(ding)性。
2. 熱(re)源(yuan)特(te)性
a. 溫度(du)和能量密度(du)
等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)的(de)弧(hu)(hu)(hu)柱溫度(du)高(gao)，能(neng)量密度(du)大(da)。從(cong)圖5-9和圖5-10可以(yi)看出，等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)對焊件(jian)加熱集中，熔透力強，焊接(jie)(jie)時速度(du)要比氬(ya)弧(hu)(hu)(hu)焊快得多，從(cong)而(er)可提高(gao)焊接(jie)(jie)生產(chan)效率。普通鎢極氬(ya)弧(hu)(hu)(hu)的(de)最高(gao)溫度(du)為10000K~24000K,能(neng)量密度(du)小于10kW/c㎡;而(er)等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)的(de)溫度(du)可高(gao)達24000K~50000K,能(neng)量密度(du)可達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此(ci)，等離子弧焊(han)的焊(han)縫截(jie)面形狀較窄(zhai)，深(shen)寬比(bi)大，無(wu)疑焊(han)件變形就小(xiao)。等離子弧焊(han)和鎢極氬(ya)弧焊(han)深(shen)寬比(bi)比(bi)較見圖5-11。
等離子弧溫度(du)和能(neng)量密度(du)高的原因(yin)是：
①. 水冷(leng)噴(pen)嘴孔徑限定了(le)弧柱橫截面積不(bu)能自(zi)由(you)擴大，這種拘束作用稱為(wei)機械壓(ya)縮(suo)作用。
②. 噴嘴水冷(leng)作用使靠近(jin)噴嘴內壁的氣(qi)體也受(shou)到(dao)強烈(lie)的冷(leng)卻作用，并且(qie)溫(wen)度(du)(du)和電(dian)(dian)(dian)離(li)度(du)(du)均迅速下降，迫(po)使弧柱區電(dian)(dian)(dian)流集(ji)中(zhong)到(dao)弧柱中(zhong)心的高(gao)(gao)(gao)溫(wen)高(gao)(gao)(gao)電(dian)(dian)(dian)離(li)度(du)(du)區。這樣由于(yu)(yu)冷(leng)壁而(er)(er)在弧柱四周產生一層(ceng)電(dian)(dian)(dian)離(li)度(du)(du)趨近(jin)于(yu)(yu)零的冷(leng)氣(qi)膜，從而(er)(er)使弧柱有效(xiao)橫截面進一步(bu)減小，電(dian)(dian)(dian)流密度(du)(du)進一步(bu)提高(gao)(gao)(gao)。這種(zhong)使弧柱溫(wen)度(du)(du)和能量(liang)密度(du)(du)提高(gao)(gao)(gao)的作用通常又稱為熱收縮(suo)效(xiao)應(ying)。
③. 由于以上兩個收(shou)(shou)縮效應的存在，弧柱電(dian)流(liu)密(mi)度增(zeng)大以后，弧柱電(dian)流(liu)線之間的電(dian)磁收(shou)(shou)縮作用也進一(yi)步增(zeng)強，致使弧柱溫度和能量密(mi)度進一(yi)步提(ti)高(gao)。以上3個因(yin)素中，噴嘴(zui)機(ji)械拘束(shu)是前提(ti)條件，而熱(re)收(shou)(shou)縮則是最本(ben)質的原因(yin)。
等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)溫度(du)和(he)(he)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)的(de)(de)顯著提(ti)高，弧(hu)柱(zhu)近似(si)于(yu)圓柱(zhu)形，使等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)的(de)(de)穩定性和(he)(he)挺直(zhi)度(du)變得更好。自由電弧(hu)（如鎢(wu)極氬弧(hu)焊）的(de)(de)擴(kuo)散(san)角(jiao)約(yue)為(wei)45°,等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)擴(kuo)散(san)角(jiao)約(yue)為(wei)5°(圖5-12),這是因(yin)為(wei)壓縮后從(cong)噴(pen)嘴口噴(pen)射出(chu)的(de)(de)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)帶(dai)電質點(dian)運動速(su)度(du)明(ming)顯提(ti)高所致，速(su)度(du)最高可達(da)300m/s(跟(gen)噴(pen)嘴結構、離(li)(li)子(zi)氣種(zhong)類(lei)和(he)(he)流量(liang)有(you)關(guan)）。
圖5-13是等(deng)(deng)離子弧(hu)焊(han)(han)(han)和鎢極(ji)氬弧(hu)焊(han)(han)(han)時(shi)(shi)，弧(hu)長(chang)波動時(shi)(shi)對(dui)(dui)焊(han)(han)(han)縫熔深(shen)的影響。當等(deng)(deng)離子弧(hu)長(chang)（實(shi)際(ji)上是噴(pen)嘴端面到焊(han)(han)(han)件表面的距離）從3mm增大到8mm時(shi)(shi)，對(dui)(dui)焊(han)(han)(han)縫熔深(shen)幾乎不(bu)產生影響；而(er)鎢極(ji)氬弧(hu)孤長(chang)從1.5mm增大到2.5mm時(shi)(shi)，焊(han)(han)(han)縫的熔深(shen)就明顯下(xia)降。
b. 熱(re)源成分
普通鎢極氬弧(hu)(hu)焊中，加熱焊件的(de)熱量(liang)主要來源于陽(yang)極斑(ban)點，弧(hu)(hu)柱輻射熱和(he)傳(chuan)導熱僅起輔助作(zuo)用(yong)。在(zai)等離子弧(hu)(hu)焊中，情況則有(you)變化，弧(hu)(hu)柱高速等離子體通過接觸傳(chuan)導和(he)輻射帶(dai)給焊件的(de)熱量(liang)明顯增加，甚至可(ke)能成為(wei)主要的(de)熱量(liang)來源，而陽(yang)極熱則降為(wei)次要地位(wei)。
3. 等離子弧的(de)基本形式(shi)
等離子弧按電(dian)源的(de)接法和產生(sheng)形式的(de)不同，可分為(wei)轉移(yi)型(xing)、非(fei)轉移(yi)型(xing)和聯合型(xing)3種基本(ben)形式，如圖5-14所示(shi)。
a. 轉(zhuan)移型等離子弧(hu)
等離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)是在電(dian)(dian)(dian)極(ji)和工件(jian)之(zhi)間燃燒，但(dan)由于電(dian)(dian)(dian)極(ji)內縮(suo)于等離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)噴(pen)嘴(zui)內，難以直(zhi)接形(xing)成等離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)，所以必須(xu)先在電(dian)(dian)(dian)極(ji)和水冷噴(pen)嘴(zui)之(zhi)間引燃電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)（水冷噴(pen)嘴(zui)既是電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)的一極(ji)，又起著冷壁拘(ju)束(shu)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)的作(zuo)用(yong)），再(zai)轉(zhuan)移(yi)為電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)在電(dian)(dian)(dian)極(ji)與工件(jian)之(zhi)間燃燒。這種(zhong)借(jie)助于電(dian)(dian)(dian)極(ji)與水冷噴(pen)嘴(zui)再(zai)轉(zhuan)移(yi)為電(dian)(dian)(dian)極(ji)與工件(jian)之(zhi)間的電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)稱為轉(zhuan)移(yi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)（圖5-14a).由于轉(zhuan)移(yi)型(xing)等離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)的陽極(ji)斑點(dian)處于工件(jian)上，直(zhi)接加熱工件(jian)，使電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)熱量的有效利(li)用(yong)率提高，同時轉(zhuan)移(yi)型(xing)等離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)具(ju)有很高的動能和沖擊力(li)，特別適合于焊(han)接。
b. 非(fei)轉移(yi)型等(deng)離(li)子弧
電(dian)源接于電(dian)極(ji)和(he)噴嘴之間(jian)，工件不接入焊接回路，鎢(wu)極(ji)為(wei)(wei)陰(yin)極(ji)，噴嘴為(wei)(wei)陽極(ji)，等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)在電(dian)極(ji)和(he)水冷(leng)噴嘴之間(jian)引燃電(dian)弧(hu)（水冷(leng)噴嘴既是電(dian)弧(hu)的一極(ji)，又(you)起著(zhu)冷(leng)壁拘束電(dian)弧(hu)的作(zuo)用）噴出，形成(cheng)的等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)稱為(wei)(wei)非轉移型等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)，又(you)叫等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)焰(yan)，見圖5-14b。
因為非轉移型等離子弧對工件(jian)的(de)加熱(re)(re)是(shi)間接的(de)，傳到工件(jian)上的(de)熱(re)(re)量較少，只(zhi)適(shi)用于焊接薄板和等離子噴(pen)涂(tu)，這里就不再(zai)詳細介紹。
c. 聯合型等離子弧
轉移(yi)型等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)弧和非轉移(yi)型等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)弧同時存在的(de)等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)弧，稱(cheng)為聯(lian)合型等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)弧，如圖5-14c所(suo)示(shi)。這(zhe)種等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)弧焊很(hen)少采用，這(zhe)里(li)就不再詳細介紹(shao)。
二、等離(li)子弧焊設(she)備
1. 焊接(jie)電源
具有下降或垂直(zhi)陡降特性的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)源（與鎢極(ji)氬弧(hu)焊(han)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)源相同）都(dou)可(ke)供等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)使(shi)用(yong)。用(yong)純氬氣(qi)做(zuo)離(li)子(zi)氣(qi)時，電(dian)(dian)(dian)(dian)源空載電(dian)(dian)(dian)(dian)壓只需65V~80V;用(yong)氬＋氫(qing)混(hun)合(he)(he)氣(qi)做(zuo)離(li)子(zi)氣(qi)時，電(dian)(dian)(dian)(dian)源空載電(dian)(dian)(dian)(dian)壓需110V~120V.若無合(he)(he)適的(de)專用(yong)電(dian)(dian)(dian)(dian)源，可(ke)用(yong)兩臺(tai)(tai)普通直(zhi)流(liu)弧(hu)焊(han)電(dian)(dian)(dian)(dian)源串聯使(shi)用(yong)。大電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)都(dou)采用(yong)轉(zhuan)移(yi)型(xing)弧(hu)，用(yong)高(gao)頻引(yin)燃非(fei)轉(zhuan)移(yi)弧(hu)，然后轉(zhuan)移(yi)成轉(zhuan)移(yi)弧(hu)。因(yin)此，一般(ban)可(ke)以(yi)采用(yong)一臺(tai)(tai)焊(han)接電(dian)(dian)(dian)(dian)源，用(yong)串接電(dian)(dian)(dian)(dian)阻的(de)方法向電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)和水冷噴嘴回路提(ti)供產生非(fei)轉(zhuan)移(yi)弧(hu)所(suo)需要的(de)較低電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，見(jian)圖5-14a。
2. 引(yin)弧裝(zhuang)置
等離子弧(hu)焊(han)(han)的(de)(de)引(yin)弧(hu)裝置(zhi)(zhi)與鎢極氬弧(hu)焊(han)(han)的(de)(de)引(yin)弧(hu)裝置(zhi)(zhi)基本相同(tong)。
3. 控制(zhi)系統(tong)
使用兩套(tao)電(dian)源時，需能(neng)分別調節非轉移(yi)弧和轉移(yi)弧的(de)電(dian)流，其余與鎢極氬(ya)弧焊(han)類似(si)。遇復雜情況，還需能(neng)控制離子氣的(de)遞增和衰減。
4. 氣路和水路
等離(li)(li)子弧焊供氣(qi)(qi)(qi)(qi)系統(tong)的氣(qi)(qi)(qi)(qi)路(lu)要比鎢極氬弧焊復雜，見圖5-15。等離(li)(li)子弧焊如采用混氫混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)體時(shi)，必須(xu)保證供氣(qi)(qi)(qi)(qi)系統(tong)中不能漏氣(qi)(qi)(qi)(qi)，否則會有引起爆炸的危(wei)險。在供氣(qi)(qi)(qi)(qi)系統(tong)中，要有氣(qi)(qi)(qi)(qi)流(liu)匯(hui)流(liu)裝(zhuang)置進行均流(liu)，均勻地將(jiang)氣(qi)(qi)(qi)(qi)分(fen)配給各(ge)路(lu)氣(qi)(qi)(qi)(qi)路(lu)；還要有貯(zhu)氣(qi)(qi)(qi)(qi)筒，對(dui)離(li)(li)子氣(qi)(qi)(qi)(qi)進行緩沖。衰減(jian)氣(qi)(qi)(qi)(qi)閥對(dui)結(jie)束焊接時(shi)的氣(qi)(qi)(qi)(qi)流(liu)進行衰減(jian)。
等離子(zi)弧焊的(de)水(shui)路與鎢極氬弧焊的(de)水(shui)路相同。
5. 焊槍
等離(li)子弧(hu)焊(han)槍要(yao)比鎢極氬焊(han)焊(han)槍復雜、精密得(de)多，其(qi)中最主要(yao)的部件是(shi)離(li)子弧(hu)噴嘴(zui)和保證鎢極與等離(li)子噴嘴(zui)同心(xin)的裝置。某型號300A等離(li)子弧(hu)焊(han)槍結構見圖5-16。
三(san)、等離子弧(hu)焊槍(qiang)的噴嘴
等離子弧(hu)(hu)焊槍的噴嘴是產生等離子弧(hu)(hu)的關鍵部件，它的設(she)計是否合理(li)，對保證等離子弧(hu)(hu)的穩定(ding)、正常工(gong)作以及焊接質量具有決定(ding)性作用。
1. 噴嘴的主要結構(gou)參數（圖5-17)
a. 噴嘴(zui)孔徑d
噴(pen)(pen)嘴孔(kong)徑(jing)(jing)d,它決定(ding)等離子(zi)弧直(zhi)徑(jing)(jing)的大(da)小。噴(pen)(pen)嘴孔(kong)徑(jing)(jing)d決定(ding)了應使(shi)(shi)用的焊接電(dian)(dian)流(liu)和離子(zi)氣流(liu)量(liang)，也可以依據焊接電(dian)(dian)流(liu)和離子(zi)氣流(liu)量(liang)先(xian)擇噴(pen)(pen)嘴孔(kong)徑(jing)(jing)d的大(da)小。總之，d越大(da)則壓縮作用越小，當d過于(yu)大(da)對則無壓縮效果；而d過小時，則會引起雙弧（圖5-47),破壞了等離子(zi)弧的穩定(ding)性。因(yin)此，對于(yu)給定(ding)的d值，有一個合理的焊接電(dian)(dian)流(liu)使(shi)(shi)用范(fan)圍(wei)。表5-2列出了常(chang)用的某型號噴(pen)(pen)嘴孔(kong)徑(jing)(jing)d及其焊接電(dian)(dian)流(liu)的使(shi)(shi)用范(fan)圍(wei)，供(gong)參考。
b. 噴嘴孔長度(du)L
當噴(pen)嘴孔(kong)徑d給定時，噴(pen)嘴孔(kong)長(chang)度（深(shen)度）L的增加(jia)，則壓縮作用加(jia)強。常以L/d表示噴(pen)嘴孔(kong)道(dao)壓縮特(te)征，稱之為孔(kong)道(dao)比（表5-3).
c. 錐(zhui)角 α
錐角(jiao)α又稱壓縮(suo)(suo)角(jiao)，實際上它對等離子(zi)弧壓縮(suo)(suo)狀態影(ying)響不(bu)大，特別(bie)是當離子(zi)氣(qi)流量(liang)較小，L/d較小時。但(dan)壓縮(suo)(suo)角(jiao)小時，能增強對電弧的壓縮(suo)(suo)作用(yong)。一(yi)般(ban)應注(zhu)意(yi)和鎢(wu)極(ji)(ji)端部(bu)形狀相配(pei)合，以利于(yu)陰(yin)極(ji)(ji)斑點(dian)置(zhi)于(yu)鎢(wu)極(ji)(ji)頂端而不(bu)上漂。常(chang)用(yong)的壓縮(suo)(suo)角(jiao)α值為60°~75°。
d. 壓(ya)縮通道的(de)形(xing)狀
多數(shu)噴嘴(zui)(zui)采用(yong)圓柱形壓縮通道，但(dan)也有采用(yong)圓錐(zhui)形、臺階圓柱形等擴散型噴嘴(zui)(zui)。這類噴嘴(zui)(zui)降低了(le)壓縮程度，有利于提高等離子(zi)弧的穩(wen)定(ding)性和噴嘴(zui)(zui)使用(yong)壽命。擴散型噴嘴(zui)(zui)結構見圖5-18。
除了(le)單孔(kong)型(xing)(xing)（圖5-17a)噴嘴外，還(huan)有多(duo)孔(kong)型(xing)(xing)噴嘴。例如，兩側帶(dai)有2個(ge)(ge)輔助小(xiao)孔(kong)的(de)(de)焊(han)接噴嘴（圖5-17b),可(ke)(ke)使等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)弧的(de)(de)橫截面由圓(yuan)形(xing)變(bian)為橢圓(yuan)形(xing)，使熱源有效功(gong)率密度提高，有利于(yu)(yu)進一(yi)步提高焊(han)速和減小(xiao)焊(han)縫及熱影響區寬度。四周帶(dai)有多(duo)個(ge)(ge)小(xiao)孔(kong)的(de)(de)噴嘴（圖5-17c)可(ke)(ke)使等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)弧在(zai)噴嘴外得到(dao)二次壓縮，用于(yu)(yu)切割，有利于(yu)(yu)進一(yi)步提高等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)弧挺度及切口質(zhi)量；但過多(duo)的(de)(de)小(xiao)孔(kong)易受(shou)金屬飛濺物堵(du)塞而失去其(qi)有利作用并造成不利的(de)(de)等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)弧偏轉，因此并未得到(dao)廣泛應用。
2. 噴嘴的材料(liao)和冷卻(que)
等(deng)離子(zi)弧(hu)焊(han)的(de)噴(pen)嘴應(ying)采用(yong)導熱性(xing)良好的(de)紫銅制(zhi)成，大功(gong)率（電(dian)流）噴(pen)嘴還必須采用(yong)直(zhi)接(jie)水(shui)(shui)冷(leng)，并保證冷(leng)卻水(shui)(shui)有(you)足(zu)夠的(de)流量(liang)和(he)壓(ya)(ya)(ya)力(li)，最好配備專用(yong)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)冷(leng)卻裝置(zhi)。大功(gong)率等(deng)離子(zi)弧(hu)焊(han)槍應(ying)采用(yong)循環的(de)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)蒸餾水(shui)(shui)直(zhi)接(jie)冷(leng)卻槍體，冷(leng)卻水(shui)(shui)再(zai)經熱交換(huan)器散熱后(hou)循環使用(yong)。為了提高(gao)冷(leng)卻效果(guo)，噴(pen)嘴的(de)壁厚一(yi)般(ban)在2mm~2.5mm之間。
