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(hu)的特(te)性
1. 靜態特性
等離子弧的靜態特性仍(reng)然呈U型(xing)曲線，但具有(you)以下特點：
a. 由于冷壁噴嘴(zui)的(de)拘束作用(yong)使弧(hu)柱(zhu)橫(heng)截面積受到限制，弧(hu)柱(zhu)電場強度增(zeng)大，電弧(hu)電壓(ya)明顯(xian)提高，U型特性的(de)平直區較(jiao)自由電弧(hu)明顯(xian)縮(suo)小。
b. 拘束(shu)孔(kong)道的(de)尺寸(cun)和形狀(zhuang)對靜特性有明(ming)顯(xian)的(de)影響，噴嘴孔(kong)徑越小，U型特性平(ping)直區域(yu)就(jiu)越小，上(shang)升段斜率(lv)增(zeng)大(da)，即弧柱電(dian)場強度增(zeng)大(da)。
c. 離子氣的(de)種(zhong)類和(he)流量不同(tong)時，弧柱的(de)電場(chang)強度將有明顯變化(hua)。因此，用(yong)(yong)于(yu)等離子弧焊的(de)電源空載電壓應按(an)所用(yong)(yong)等離子氣種(zhong)類而定。
d. 如(ru)果采用聯合(he)型等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)，轉移弧(hu)(hu)U型特性下降區段斜率明顯減小，這是(shi)由于非(fei)轉移弧(hu)(hu)的存(cun)在為轉移弧(hu)(hu)提供了導(dao)電通路之故。因此小電流微束等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)常采用混合(he)型弧(hu)(hu)，以提高其穩定性。
2. 熱源特性
a. 溫度和能量密(mi)度
等(deng)離(li)子(zi)弧的弧柱溫度(du)(du)(du)高(gao)(gao)，能量(liang)密(mi)度(du)(du)(du)大。從(cong)圖5-9和圖5-10可以看出，等(deng)離(li)子(zi)弧對焊件加熱(re)集中，熔透力強，焊接(jie)時速度(du)(du)(du)要比氬弧焊快得多(duo)，從(cong)而(er)可提高(gao)(gao)焊接(jie)生產效率(lv)。普通鎢極氬弧的最(zui)高(gao)(gao)溫度(du)(du)(du)為10000K~24000K,能量(liang)密(mi)度(du)(du)(du)小于10kW/c㎡;而(er)等(deng)離(li)子(zi)弧的溫度(du)(du)(du)可高(gao)(gao)達24000K~50000K,能量(liang)密(mi)度(du)(du)(du)可達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此，等(deng)離子弧焊的焊縫截面形(xing)狀(zhuang)較窄，深(shen)寬(kuan)比(bi)大，無疑(yi)焊件變形(xing)就小。等(deng)離子弧焊和鎢極氬弧焊深(shen)寬(kuan)比(bi)比(bi)較見圖5-11。
等離子弧溫度和能量密度高的原因是(shi)：
①. 水冷噴嘴(zui)孔徑(jing)限定了弧(hu)柱橫截面(mian)積不能自由擴大，這種(zhong)拘(ju)束作(zuo)用稱為機(ji)械壓縮作(zuo)用。
②. 噴嘴(zui)水冷(leng)作(zuo)用(yong)使(shi)靠近噴嘴(zui)內壁(bi)的氣體也受(shou)到強(qiang)烈的冷(leng)卻作(zuo)用(yong)，并(bing)且溫(wen)度(du)(du)(du)和(he)電(dian)離(li)度(du)(du)(du)均迅速下(xia)降(jiang)，迫使(shi)弧柱區(qu)電(dian)流集中到弧柱中心的高溫(wen)高電(dian)離(li)度(du)(du)(du)區(qu)。這(zhe)樣由(you)于(yu)冷(leng)壁(bi)而在(zai)弧柱四周(zhou)產(chan)生一(yi)(yi)層(ceng)電(dian)離(li)度(du)(du)(du)趨近于(yu)零的冷(leng)氣膜，從而使(shi)弧柱有(you)效橫截面進一(yi)(yi)步(bu)減小，電(dian)流密度(du)(du)(du)進一(yi)(yi)步(bu)提(ti)高。這(zhe)種(zhong)使(shi)弧柱溫(wen)度(du)(du)(du)和(he)能量(liang)密度(du)(du)(du)提(ti)高的作(zuo)用(yong)通常(chang)又稱為熱收縮效應。
③. 由于以上兩個(ge)收(shou)縮效應的(de)存(cun)在，弧(hu)(hu)柱電流密(mi)度增(zeng)大以后(hou)，弧(hu)(hu)柱電流線之間的(de)電磁收(shou)縮作用也進(jin)一步(bu)增(zeng)強，致使(shi)弧(hu)(hu)柱溫(wen)度和能量密(mi)度進(jin)一步(bu)提(ti)高(gao)。以上3個(ge)因素中，噴嘴機械拘束是(shi)前提(ti)條(tiao)件，而熱收(shou)縮則是(shi)最本質(zhi)的(de)原因。
等離(li)子弧(hu)(hu)溫(wen)度(du)和(he)能量(liang)密度(du)的(de)顯著提高(gao)，弧(hu)(hu)柱(zhu)近似于圓柱(zhu)形，使(shi)等離(li)子弧(hu)(hu)的(de)穩(wen)定(ding)性和(he)挺(ting)直度(du)變得更(geng)好。自由電弧(hu)(hu)（如鎢極氬(ya)弧(hu)(hu)焊(han)）的(de)擴散角(jiao)約(yue)(yue)為45°,等離(li)子弧(hu)(hu)擴散角(jiao)約(yue)(yue)為5°(圖5-12),這是因為壓(ya)縮后從噴嘴口(kou)噴射出(chu)的(de)等離(li)子弧(hu)(hu)帶電質點(dian)運動速(su)(su)度(du)明顯提高(gao)所致，速(su)(su)度(du)最高(gao)可達(da)300m/s(跟噴嘴結構、離(li)子氣種類和(he)流(liu)量(liang)有(you)關(guan)）。
圖5-13是等離(li)子弧焊(han)和(he)鎢極(ji)氬(ya)弧焊(han)時，弧長(chang)(chang)波動時對焊(han)縫熔(rong)深的(de)(de)影(ying)響。當等離(li)子弧長(chang)(chang)（實際上是噴嘴端(duan)面到焊(han)件(jian)表面的(de)(de)距離(li)）從3mm增大到8mm時，對焊(han)縫熔(rong)深幾乎不產生影(ying)響；而鎢極(ji)氬(ya)弧孤長(chang)(chang)從1.5mm增大到2.5mm時，焊(han)縫的(de)(de)熔(rong)深就明(ming)顯下降。
b. 熱源成分
普通鎢極(ji)氬(ya)弧焊中，加熱(re)(re)(re)焊件(jian)(jian)的(de)熱(re)(re)(re)量主要(yao)來源(yuan)于(yu)陽極(ji)斑點，弧柱輻射熱(re)(re)(re)和(he)傳(chuan)導熱(re)(re)(re)僅起輔(fu)助作用。在等離(li)子弧焊中，情況則有變化，弧柱高速等離(li)子體通過接觸傳(chuan)導和(he)輻射帶給(gei)焊件(jian)(jian)的(de)熱(re)(re)(re)量明顯增加，甚(shen)至可能成為(wei)主要(yao)的(de)熱(re)(re)(re)量來源(yuan)，而(er)陽極(ji)熱(re)(re)(re)則降為(wei)次要(yao)地位。
3. 等(deng)離子弧(hu)的基本形(xing)式
等離子弧按電源(yuan)的接(jie)法和(he)產生(sheng)形(xing)式的不同，可分為轉移型、非(fei)轉移型和(he)聯合型3種基本形(xing)式，如圖5-14所示。
a. 轉移型等離(li)子(zi)弧
等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)是(shi)在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和工(gong)件(jian)之(zhi)間燃燒(shao)，但由(you)(you)于電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)內縮于等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)噴(pen)嘴內，難(nan)以直接(jie)形成(cheng)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)，所以必須先在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴之(zhi)間引燃電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)（水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴既(ji)是(shi)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)的一極(ji)(ji)，又起著冷(leng)壁拘束電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)的作(zuo)用），再轉(zhuan)移(yi)(yi)為(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與工(gong)件(jian)之(zhi)間燃燒(shao)。這種(zhong)借助于電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴再轉(zhuan)移(yi)(yi)為(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與工(gong)件(jian)之(zhi)間的電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)稱為(wei)(wei)轉(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)（圖(tu)5-14a).由(you)(you)于轉(zhuan)移(yi)(yi)型(xing)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)的陽極(ji)(ji)斑點處于工(gong)件(jian)上，直接(jie)加熱工(gong)件(jian)，使電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)熱量的有效利用率提(ti)高(gao)，同(tong)時轉(zhuan)移(yi)(yi)型(xing)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)具(ju)有很高(gao)的動能和沖擊力，特別適合于焊接(jie)。
b. 非轉(zhuan)移(yi)型(xing)等離子弧
電(dian)源接于電(dian)極和噴(pen)嘴之間，工(gong)件不接入焊接回路，鎢極為(wei)陰極，噴(pen)嘴為(wei)陽(yang)極，等離子(zi)弧(hu)在電(dian)極和水冷(leng)噴(pen)嘴之間引燃電(dian)弧(hu)（水冷(leng)噴(pen)嘴既是電(dian)弧(hu)的(de)(de)一極，又起著冷(leng)壁拘束電(dian)弧(hu)的(de)(de)作(zuo)用）噴(pen)出，形成的(de)(de)等離子(zi)弧(hu)稱為(wei)非轉移型等離子(zi)弧(hu)，又叫等離子(zi)焰，見圖(tu)5-14b。
因(yin)為(wei)非轉(zhuan)移型等離子弧對工件的(de)加熱是間接的(de)，傳到工件上的(de)熱量(liang)較少，只(zhi)適用于焊接薄板(ban)和等離子噴涂，這(zhe)里就不再(zai)詳細介紹。
c. 聯合型等(deng)離子弧(hu)
轉移型等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)和非轉移型等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)同時存在(zai)的等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)，稱為聯合型等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)，如(ru)圖5-14c所示。這種等(deng)離(li)(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)焊(han)很少(shao)采用(yong)，這里就不(bu)再(zai)詳細介(jie)紹。
二、等離子(zi)弧焊設備
1. 焊接電源
具有下(xia)降(jiang)或(huo)垂直陡降(jiang)特性的(de)直流(liu)電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)（與鎢極氬弧(hu)(hu)(hu)焊(han)的(de)電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)相同(tong)）都(dou)可(ke)(ke)供等離子弧(hu)(hu)(hu)焊(han)使(shi)用。用純氬氣(qi)做離子氣(qi)時(shi)，電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)空載(zai)電(dian)壓只需(xu)65V~80V;用氬＋氫(qing)混合(he)氣(qi)做離子氣(qi)時(shi)，電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)空載(zai)電(dian)壓需(xu)110V~120V.若無(wu)合(he)適的(de)專用電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)，可(ke)(ke)用兩臺普(pu)通直流(liu)弧(hu)(hu)(hu)焊(han)電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)串聯使(shi)用。大電(dian)流(liu)等離子弧(hu)(hu)(hu)焊(han)都(dou)采用轉移(yi)(yi)型弧(hu)(hu)(hu)，用高(gao)頻引燃非轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)，然后轉移(yi)(yi)成轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)。因此，一般可(ke)(ke)以采用一臺焊(han)接(jie)(jie)電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)，用串接(jie)(jie)電(dian)阻的(de)方法(fa)向(xiang)電(dian)極和水冷噴(pen)嘴回路提供產(chan)生非轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)所需(xu)要的(de)較低電(dian)流(liu)，見圖5-14a。
2. 引弧裝置
等離子弧(hu)焊的引(yin)弧(hu)裝置與鎢極氬(ya)弧(hu)焊的引(yin)弧(hu)裝置基本相同(tong)。
3. 控制系(xi)統
使用兩套電源(yuan)時，需能(neng)分別調(diao)節非轉移弧(hu)和轉移弧(hu)的電流，其余與鎢極(ji)氬弧(hu)焊類似(si)。遇復雜情況，還需能(neng)控制離子氣的遞增和衰減。
4. 氣路和水(shui)路
等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)弧焊供氣(qi)系統(tong)的(de)(de)氣(qi)路(lu)要比(bi)鎢極氬弧焊復雜(za)，見(jian)圖5-15。等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)弧焊如采用混(hun)氫混(hun)合氣(qi)體時(shi)，必須(xu)保證供氣(qi)系統(tong)中不能漏氣(qi)，否則會有引起爆(bao)炸(zha)的(de)(de)危險(xian)。在供氣(qi)系統(tong)中，要有氣(qi)流匯(hui)流裝置(zhi)進(jin)行(xing)均流，均勻地(di)將氣(qi)分配給(gei)各路(lu)氣(qi)路(lu)；還要有貯氣(qi)筒(tong)，對離(li)(li)子(zi)(zi)氣(qi)進(jin)行(xing)緩(huan)沖。衰減氣(qi)閥對結束焊接時(shi)的(de)(de)氣(qi)流進(jin)行(xing)衰減。
等離(li)子弧焊的(de)水(shui)路與鎢(wu)極氬弧焊的(de)水(shui)路相同。
5. 焊槍
等離子弧(hu)焊槍要比(bi)鎢極(ji)氬焊焊槍復雜、精(jing)密得(de)多，其中最主要的(de)部(bu)件(jian)是離子弧(hu)噴嘴(zui)和保證鎢極(ji)與(yu)等離子噴嘴(zui)同心(xin)的(de)裝置。某型(xing)號(hao)300A等離子弧(hu)焊槍結構(gou)見圖5-16。
三(san)、等離子(zi)弧焊(han)槍的噴嘴(zui)
等(deng)離(li)子(zi)弧焊槍的噴(pen)嘴是(shi)產生(sheng)等(deng)離(li)子(zi)弧的關(guan)鍵部件，它的設(she)計是(shi)否合理，對(dui)保證等(deng)離(li)子(zi)弧的穩(wen)定(ding)、正常工作以及(ji)焊接質(zhi)量具有決(jue)定(ding)性(xing)作用。
1. 噴嘴的(de)主要結構參數（圖5-17)
a. 噴嘴孔徑d
噴(pen)(pen)嘴(zui)孔(kong)徑d,它(ta)決(jue)定(ding)等離(li)子弧直徑的(de)(de)(de)(de)大小(xiao)。噴(pen)(pen)嘴(zui)孔(kong)徑d決(jue)定(ding)了(le)應(ying)使用(yong)的(de)(de)(de)(de)焊接電(dian)流和離(li)子氣(qi)流量，也可(ke)以依據焊接電(dian)流和離(li)子氣(qi)流量先(xian)擇噴(pen)(pen)嘴(zui)孔(kong)徑d的(de)(de)(de)(de)大小(xiao)。總(zong)之，d越(yue)大則壓縮(suo)作用(yong)越(yue)小(xiao)，當d過于大對則無壓縮(suo)效果；而d過小(xiao)時，則會引起雙(shuang)弧（圖5-47),破壞了(le)等離(li)子弧的(de)(de)(de)(de)穩定(ding)性。因此，對于給定(ding)的(de)(de)(de)(de)d值，有一個合理的(de)(de)(de)(de)焊接電(dian)流使用(yong)范(fan)圍。表5-2列(lie)出了(le)常用(yong)的(de)(de)(de)(de)某型號噴(pen)(pen)嘴(zui)孔(kong)徑d及其焊接電(dian)流的(de)(de)(de)(de)使用(yong)范(fan)圍，供參考。
b. 噴(pen)嘴孔長度L
當噴(pen)嘴孔(kong)徑d給(gei)定(ding)時，噴(pen)嘴孔(kong)長度（深度）L的增加，則壓縮作用加強(qiang)。常以L/d表示(shi)噴(pen)嘴孔(kong)道壓縮特征，稱之為孔(kong)道比(bi)（表5-3).
c. 錐(zhui)角 α
錐角(jiao)α又稱壓縮角(jiao)，實(shi)際上它對等離子(zi)弧(hu)壓縮狀(zhuang)態影響不大，特別是當(dang)離子(zi)氣流量較小(xiao)，L/d較小(xiao)時(shi)。但壓縮角(jiao)小(xiao)時(shi)，能增強對電弧(hu)的(de)壓縮作用。一般應注(zhu)意和鎢(wu)極(ji)(ji)端(duan)部形(xing)狀(zhuang)相配合，以(yi)利于陰極(ji)(ji)斑(ban)點置于鎢(wu)極(ji)(ji)頂端(duan)而(er)不上漂。常用的(de)壓縮角(jiao)α值為60°~75°。
d. 壓縮通道的形狀
多數(shu)噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)采(cai)用(yong)(yong)圓柱(zhu)形壓縮(suo)通(tong)道，但(dan)也有采(cai)用(yong)(yong)圓錐形、臺階(jie)圓柱(zhu)形等擴散型噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)。這類噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)降(jiang)低(di)了壓縮(suo)程(cheng)度，有利于(yu)提高等離子弧的(de)穩定(ding)性和噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)使(shi)用(yong)(yong)壽命。擴散型噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)結構見圖(tu)5-18。
除了單(dan)孔(kong)(kong)型（圖(tu)5-17a)噴嘴(zui)(zui)外，還有(you)(you)多孔(kong)(kong)型噴嘴(zui)(zui)。例如，兩(liang)側帶有(you)(you)2個輔助小(xiao)孔(kong)(kong)的(de)焊(han)接噴嘴(zui)(zui)（圖(tu)5-17b),可使(shi)(shi)等離(li)子(zi)(zi)弧的(de)橫截(jie)面由圓形(xing)變為(wei)橢圓形(xing)，使(shi)(shi)熱(re)源有(you)(you)效(xiao)功(gong)率密度提高(gao)，有(you)(you)利于進(jin)一步提高(gao)焊(han)速和減小(xiao)焊(han)縫及熱(re)影響區(qu)寬度。四周帶有(you)(you)多個小(xiao)孔(kong)(kong)的(de)噴嘴(zui)(zui)（圖(tu)5-17c)可使(shi)(shi)等離(li)子(zi)(zi)弧在噴嘴(zui)(zui)外得(de)到二次壓縮，用(yong)于切割，有(you)(you)利于進(jin)一步提高(gao)等離(li)子(zi)(zi)弧挺度及切口(kou)質量；但過多的(de)小(xiao)孔(kong)(kong)易受金屬飛濺物堵塞而失去(qu)其有(you)(you)利作(zuo)用(yong)并造成不利的(de)等離(li)子(zi)(zi)弧偏轉，因此并未得(de)到廣泛應用(yong)。
2. 噴(pen)嘴的材料和冷卻
等(deng)離(li)(li)子弧焊的(de)噴嘴(zui)應采(cai)用(yong)導熱(re)(re)(re)性良(liang)好(hao)的(de)紫銅制成，大(da)功(gong)(gong)率（電流）噴嘴(zui)還必須采(cai)用(yong)直接(jie)水(shui)(shui)冷(leng)，并保(bao)證冷(leng)卻(que)(que)水(shui)(shui)有足夠的(de)流量和壓(ya)力，最好(hao)配備專(zhuan)用(yong)高壓(ya)冷(leng)卻(que)(que)裝置。大(da)功(gong)(gong)率等(deng)離(li)(li)子弧焊槍應采(cai)用(yong)循(xun)環的(de)高壓(ya)蒸餾水(shui)(shui)直接(jie)冷(leng)卻(que)(que)槍體，冷(leng)卻(que)(que)水(shui)(shui)再(zai)經熱(re)(re)(re)交換器散(san)熱(re)(re)(re)后(hou)循(xun)環使用(yong)。為了(le)提高冷(leng)卻(que)(que)效果，噴嘴(zui)的(de)壁厚一般在2mm~2.5mm之間。
