等離子(zi)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(zi)弧的特性

1. 靜(jing)態特(te)性

 等離子(zi)弧的靜態特性仍然呈U型曲線，但具有以下特點：

  a. 由于冷壁(bi)噴嘴的拘束作(zuo)用使弧柱(zhu)橫(heng)截面積(ji)受到限制，弧柱(zhu)電場強度增(zeng)大(da)，電弧電壓明顯(xian)提高，U型特性的平(ping)直區較自(zi)由電弧明顯(xian)縮(suo)小。

  b. 拘束(shu)孔(kong)(kong)道的尺寸和形狀對靜(jing)特性(xing)有(you)明顯(xian)的影響(xiang)，噴嘴(zui)孔(kong)(kong)徑越小(xiao)，U型特性(xing)平直區域就越小(xiao)，上升段(duan)斜率增大(da)，即弧柱電場強度增大(da)。

  c. 離子氣(qi)(qi)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。因此(ci)，用(yong)于(yu)等離子弧焊的(de)電源空(kong)載電壓應按所(suo)用(yong)等離子氣(qi)(qi)種類而定。

  d. 如果采用聯(lian)合型等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)，轉移弧(hu)(hu)U型特性(xing)下(xia)降區段斜率明(ming)顯減小，這是由于非(fei)轉移弧(hu)(hu)的存在(zai)為轉移弧(hu)(hu)提(ti)供了導電通(tong)路之故。因此(ci)小電流微束等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)常采用混合型弧(hu)(hu)，以提(ti)高(gao)其穩(wen)定性(xing)。

2. 熱源(yuan)特性(xing)

  a. 溫度(du)和能(neng)量密度(du)

   等離子弧(hu)的(de)弧(hu)柱(zhu)溫(wen)度(du)高(gao)，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)對焊件加熱集中，熔透(tou)力強，焊接時速(su)度(du)要比氬(ya)(ya)弧(hu)焊快(kuai)得多，從而(er)可(ke)提(ti)高(gao)焊接生(sheng)產效率。普通鎢極氬(ya)(ya)弧(hu)的(de)最高(gao)溫(wen)度(du)為(wei)10000K~24000K,能(neng)量(liang)密(mi)度(du)小(xiao)于10kW/c㎡;而(er)等離子弧(hu)的(de)溫(wen)度(du)可(ke)高(gao)達(da)24000K~50000K,能(neng)量(liang)密(mi)度(du)可(ke)達(da)100kW/c㎡~1000kW/c㎡.

   因此，等(deng)離子(zi)弧焊(han)的焊(han)縫截面形(xing)(xing)狀較窄，深(shen)寬比(bi)大，無疑焊(han)件(jian)變形(xing)(xing)就小。等(deng)離子(zi)弧焊(han)和鎢極氬弧焊(han)深(shen)寬比(bi)比(bi)較見圖(tu)5-11。

  等離子弧溫度和能量密度高的原因是：

   ①. 水冷(leng)噴嘴孔徑(jing)限定了弧柱橫截面(mian)積不能(neng)自由擴大，這種拘束作(zuo)(zuo)用(yong)稱(cheng)為(wei)機械壓縮作(zuo)(zuo)用(yong)。

   ②. 噴嘴(zui)水(shui)冷作(zuo)用(yong)(yong)使(shi)靠近(jin)噴嘴(zui)內壁的氣體也受到強烈的冷卻作(zuo)用(yong)(yong)，并且溫度(du)和電離度(du)均迅速下降，迫(po)使(shi)弧(hu)柱(zhu)區(qu)電流集中到弧(hu)柱(zhu)中心的高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)電離度(du)區(qu)。這(zhe)樣(yang)由于(yu)冷壁而在弧(hu)柱(zhu)四周產生一層(ceng)電離度(du)趨近(jin)于(yu)零的冷氣膜(mo)，從(cong)而使(shi)弧(hu)柱(zhu)有(you)效(xiao)橫截面進(jin)一步(bu)減小，電流密度(du)進(jin)一步(bu)提(ti)高(gao)(gao)。這(zhe)種使(shi)弧(hu)柱(zhu)溫度(du)和能(neng)量密度(du)提(ti)高(gao)(gao)的作(zuo)用(yong)(yong)通常又稱為熱收縮(suo)效(xiao)應(ying)。

  ③. 由于(yu)以上兩個(ge)收縮(suo)效應的(de)存(cun)在(zai)，弧(hu)柱電(dian)流密度(du)增大以后(hou)，弧(hu)柱電(dian)流線之間的(de)電(dian)磁收縮(suo)作(zuo)用也進一步(bu)增強，致使弧(hu)柱溫度(du)和能量(liang)密度(du)進一步(bu)提高。以上3個(ge)因(yin)素(su)中(zhong)，噴嘴機械拘束是前提條(tiao)件，而(er)熱收縮(suo)則是最本(ben)質的(de)原因(yin)。

  等離(li)子(zi)(zi)弧溫度(du)和(he)(he)能(neng)量密(mi)度(du)的(de)(de)(de)顯(xian)著(zhu)提高(gao)(gao)，弧柱近似于(yu)圓柱形，使(shi)等離(li)子(zi)(zi)弧的(de)(de)(de)穩定性和(he)(he)挺直度(du)變得(de)更好。自由(you)電(dian)弧（如鎢極氬弧焊）的(de)(de)(de)擴散(san)角約(yue)為45°,等離(li)子(zi)(zi)弧擴散(san)角約(yue)為5°(圖5-12),這是因為壓縮后(hou)從噴(pen)(pen)(pen)嘴口噴(pen)(pen)(pen)射(she)出的(de)(de)(de)等離(li)子(zi)(zi)弧帶電(dian)質點運動(dong)速度(du)明(ming)顯(xian)提高(gao)(gao)所致，速度(du)最高(gao)(gao)可(ke)達300m/s(跟噴(pen)(pen)(pen)嘴結構、離(li)子(zi)(zi)氣種(zhong)類和(he)(he)流(liu)量有(you)關）。

  圖5-13是(shi)等離子弧(hu)焊(han)和(he)鎢(wu)(wu)極氬弧(hu)焊(han)時，弧(hu)長波動時對焊(han)縫(feng)熔深(shen)的影響。當等離子弧(hu)長（實際(ji)上是(shi)噴嘴端面(mian)到(dao)焊(han)件(jian)表面(mian)的距離）從3mm增大到(dao)8mm時，對焊(han)縫(feng)熔深(shen)幾乎不產(chan)生影響；而鎢(wu)(wu)極氬弧(hu)孤長從1.5mm增大到(dao)2.5mm時，焊(han)縫(feng)的熔深(shen)就(jiu)明顯下(xia)降。

 b. 熱(re)源成分

  普通(tong)鎢極氬(ya)弧(hu)焊中，加熱焊件的(de)熱量(liang)主要(yao)(yao)來(lai)源于陽極斑點，弧(hu)柱(zhu)輻射熱和傳導(dao)(dao)熱僅起輔(fu)助作用。在等離子弧(hu)焊中，情況則有變化(hua)，弧(hu)柱(zhu)高速等離子體通(tong)過接觸傳導(dao)(dao)和輻射帶給焊件的(de)熱量(liang)明(ming)顯增加，甚至(zhi)可能(neng)成為(wei)主要(yao)(yao)的(de)熱量(liang)來(lai)源，而陽極熱則降為(wei)次要(yao)(yao)地位(wei)。

3. 等離子弧的基本形式

 等離子(zi)弧按電源的(de)接法和產生(sheng)形(xing)(xing)式的(de)不同，可分為轉(zhuan)移型(xing)、非轉(zhuan)移型(xing)和聯合型(xing)3種基本形(xing)(xing)式，如圖5-14所示。

  a. 轉移型(xing)等離子弧

  等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)是在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)工(gong)(gong)件之(zhi)(zhi)間燃燒，但由(you)于(yu)電(dian)(dian)極(ji)(ji)內縮于(yu)等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)噴嘴(zui)(zui)內，難以直接(jie)(jie)形成(cheng)等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)，所(suo)以必須先在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)水(shui)冷噴嘴(zui)(zui)之(zhi)(zhi)間引燃電(dian)(dian)弧(hu)(hu)（水(shui)冷噴嘴(zui)(zui)既(ji)是電(dian)(dian)弧(hu)(hu)的(de)一極(ji)(ji)，又起著(zhu)冷壁拘束電(dian)(dian)弧(hu)(hu)的(de)作(zuo)用），再轉(zhuan)移為(wei)(wei)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)與(yu)(yu)工(gong)(gong)件之(zhi)(zhi)間燃燒。這種借助于(yu)電(dian)(dian)極(ji)(ji)與(yu)(yu)水(shui)冷噴嘴(zui)(zui)再轉(zhuan)移為(wei)(wei)電(dian)(dian)極(ji)(ji)與(yu)(yu)工(gong)(gong)件之(zhi)(zhi)間的(de)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)稱為(wei)(wei)轉(zhuan)移弧(hu)(hu)（圖(tu)5-14a).由(you)于(yu)轉(zhuan)移型等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)的(de)陽極(ji)(ji)斑點(dian)處于(yu)工(gong)(gong)件上，直接(jie)(jie)加熱(re)工(gong)(gong)件，使電(dian)(dian)弧(hu)(hu)熱(re)量的(de)有(you)效利用率(lv)提高(gao)，同時轉(zhuan)移型等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)具有(you)很高(gao)的(de)動能和(he)沖擊(ji)力，特別適(shi)合(he)于(yu)焊接(jie)(jie)。

  b. 非轉移型等離(li)子弧

  電(dian)源接(jie)(jie)于電(dian)極(ji)(ji)和(he)噴(pen)嘴之間，工件不接(jie)(jie)入焊接(jie)(jie)回(hui)路，鎢極(ji)(ji)為陰極(ji)(ji)，噴(pen)嘴為陽極(ji)(ji)，等離子(zi)弧(hu)(hu)在(zai)電(dian)極(ji)(ji)和(he)水冷(leng)(leng)噴(pen)嘴之間引燃(ran)電(dian)弧(hu)(hu)（水冷(leng)(leng)噴(pen)嘴既是電(dian)弧(hu)(hu)的(de)一極(ji)(ji)，又起著冷(leng)(leng)壁拘束電(dian)弧(hu)(hu)的(de)作用）噴(pen)出，形成的(de)等離子(zi)弧(hu)(hu)稱(cheng)為非(fei)轉移型等離子(zi)弧(hu)(hu)，又叫(jiao)等離子(zi)焰，見圖5-14b。

  因(yin)為非轉移型等離(li)子(zi)弧對工件的加熱是間接的，傳到工件上的熱量較少，只適用于焊接薄(bo)板和等離(li)子(zi)噴(pen)涂，這里就不再詳細介紹。

 c. 聯合型等離子弧

 轉移(yi)型等離(li)子弧(hu)和非(fei)轉移(yi)型等離(li)子弧(hu)同時存在(zai)的等離(li)子弧(hu)，稱為聯合型等離(li)子弧(hu)，如圖5-14c所示。這種(zhong)等離(li)子弧(hu)焊很(hen)少采用，這里就不(bu)再詳細介(jie)紹(shao)。

二(er)、等離子弧焊設備

1. 焊接電源

具有下降或垂直陡降特性的(de)(de)直流(liu)(liu)電源(yuan)(yuan)（與鎢極(ji)氬(ya)(ya)弧焊(han)的(de)(de)電源(yuan)(yuan)相同）都可供等離子(zi)弧焊(han)使用(yong)(yong)。用(yong)(yong)純氬(ya)(ya)氣(qi)做離子(zi)氣(qi)時(shi)，電源(yuan)(yuan)空載(zai)電壓只需65V~80V;用(yong)(yong)氬(ya)(ya)＋氫混合氣(qi)做離子(zi)氣(qi)時(shi)，電源(yuan)(yuan)空載(zai)電壓需110V~120V.若無(wu)合適的(de)(de)專用(yong)(yong)電源(yuan)(yuan)，可用(yong)(yong)兩臺(tai)普通直流(liu)(liu)弧焊(han)電源(yuan)(yuan)串(chuan)聯使用(yong)(yong)。大電流(liu)(liu)等離子(zi)弧焊(han)都采用(yong)(yong)轉(zhuan)移型弧，用(yong)(yong)高頻引(yin)燃非(fei)轉(zhuan)移弧，然后轉(zhuan)移成轉(zhuan)移弧。因此(ci)，一(yi)(yi)般可以采用(yong)(yong)一(yi)(yi)臺(tai)焊(han)接電源(yuan)(yuan)，用(yong)(yong)串(chuan)接電阻(zu)的(de)(de)方法向電極(ji)和水冷噴嘴回路(lu)提供產(chan)生非(fei)轉(zhuan)移弧所(suo)需要的(de)(de)較(jiao)低電流(liu)(liu)，見圖5-14a。

2. 引弧裝置(zhi)

 等離子弧(hu)(hu)焊的引(yin)(yin)弧(hu)(hu)裝置與鎢極氬弧(hu)(hu)焊的引(yin)(yin)弧(hu)(hu)裝置基(ji)本相同。

3. 控制系統

使(shi)用(yong)兩套電源時，需能(neng)分別(bie)調節非(fei)轉移(yi)弧(hu)和轉移(yi)弧(hu)的(de)電流，其(qi)余與鎢極氬(ya)弧(hu)焊類似。遇復雜情況(kuang)，還需能(neng)控(kong)制離子(zi)氣的(de)遞增和衰減(jian)。

4. 氣路(lu)和水路(lu)

 等離子弧(hu)焊供(gong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)(xi)統的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)路要比鎢極氬弧(hu)焊復(fu)雜，見圖5-15。等離子弧(hu)焊如采用混氫混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)體時，必(bi)須保證供(gong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)(xi)統中不能漏氣(qi)(qi)(qi)(qi)，否(fou)則會有(you)引起(qi)爆炸的(de)危險(xian)。在供(gong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)(xi)統中，要有(you)氣(qi)(qi)(qi)(qi)流匯流裝置進行均流，均勻地(di)將氣(qi)(qi)(qi)(qi)分配給(gei)各路氣(qi)(qi)(qi)(qi)路；還要有(you)貯氣(qi)(qi)(qi)(qi)筒，對離子氣(qi)(qi)(qi)(qi)進行緩沖。衰減氣(qi)(qi)(qi)(qi)閥對結束焊接時的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)流進行衰減。

 等離子(zi)弧焊的(de)水路與(yu)鎢極氬(ya)弧焊的(de)水路相(xiang)同(tong)。

5. 焊槍(qiang)

 等(deng)離(li)子弧焊槍要比鎢(wu)極氬焊焊槍復(fu)雜、精密得多，其中最主要的部件是離(li)子弧噴嘴和保(bao)證鎢(wu)極與等(deng)離(li)子噴嘴同心的裝置(zhi)。某型號300A等(deng)離(li)子弧焊槍結(jie)構見(jian)圖5-16。

三、等離(li)子弧(hu)焊(han)槍的噴(pen)嘴(zui)

 等(deng)(deng)離(li)子弧(hu)(hu)焊(han)槍的噴嘴是(shi)產生(sheng)等(deng)(deng)離(li)子弧(hu)(hu)的關鍵部件，它(ta)的設計是(shi)否合理，對保證等(deng)(deng)離(li)子弧(hu)(hu)的穩定、正常工作(zuo)以(yi)及(ji)焊(han)接質(zhi)量具有(you)決定性作(zuo)用。

1. 噴嘴的主要結構參(can)數（圖5-17)

  a. 噴(pen)嘴孔徑d

   噴嘴孔(kong)徑(jing)d,它(ta)決定(ding)等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)直徑(jing)的大(da)小。噴嘴孔(kong)徑(jing)d決定(ding)了(le)應(ying)使(shi)用的焊(han)(han)接(jie)電(dian)(dian)流(liu)(liu)和(he)離子(zi)氣流(liu)(liu)量，也(ye)可以依據焊(han)(han)接(jie)電(dian)(dian)流(liu)(liu)和(he)離子(zi)氣流(liu)(liu)量先擇噴嘴孔(kong)徑(jing)d的大(da)小。總(zong)之，d越大(da)則壓(ya)縮作用越小，當d過于大(da)對則無(wu)壓(ya)縮效果(guo)；而(er)d過小時，則會引起雙弧(hu)(hu)（圖5-47),破壞(huai)了(le)等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)的穩定(ding)性(xing)。因此，對于給(gei)定(ding)的d值(zhi)，有一個(ge)合理的焊(han)(han)接(jie)電(dian)(dian)流(liu)(liu)使(shi)用范圍。表5-2列出了(le)常(chang)用的某型號噴嘴孔(kong)徑(jing)d及其焊(han)(han)接(jie)電(dian)(dian)流(liu)(liu)的使(shi)用范圍，供參(can)考。

  b. 噴嘴孔(kong)長度L

 當(dang)噴嘴(zui)孔徑d給定(ding)時，噴嘴(zui)孔長(chang)度（深度）L的(de)增加，則壓縮作(zuo)用加強。常以L/d表示(shi)噴嘴(zui)孔道(dao)壓縮特征，稱之為孔道(dao)比（表5-3).

  c. 錐(zhui)角(jiao) α

   錐角(jiao)α又稱壓縮(suo)角(jiao)，實際(ji)上它對等(deng)離(li)子弧壓縮(suo)狀態影(ying)響不大，特別(bie)是當(dang)離(li)子氣流量(liang)較(jiao)小(xiao)，L/d較(jiao)小(xiao)時。但壓縮(suo)角(jiao)小(xiao)時，能增強對電弧的(de)壓縮(suo)作用(yong)。一般(ban)應注(zhu)意(yi)和鎢(wu)極(ji)端(duan)部形(xing)狀相(xiang)配合，以(yi)利于陰極(ji)斑點(dian)置(zhi)于鎢(wu)極(ji)頂端(duan)而不上漂。常用(yong)的(de)壓縮(suo)角(jiao)α值為60°~75°。

 d. 壓(ya)縮(suo)通(tong)道的形狀

 多(duo)數噴嘴(zui)采用圓(yuan)柱形(xing)壓(ya)縮(suo)通道，但也(ye)有采用圓(yuan)錐形(xing)、臺階圓(yuan)柱形(xing)等擴散型(xing)噴嘴(zui)。這類噴嘴(zui)降(jiang)低(di)了壓(ya)縮(suo)程度，有利于提高(gao)等離子弧的穩(wen)定性和噴嘴(zui)使用壽命。擴散型(xing)噴嘴(zui)結構見(jian)圖5-18。

 除了(le)單孔型（圖(tu)5-17a)噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)外，還有(you)多孔型噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)。例(li)如，兩側帶(dai)有(you)2個(ge)輔助小(xiao)孔的焊接噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)（圖(tu)5-17b),可(ke)使(shi)等離子(zi)弧的橫截面(mian)由圓(yuan)形變(bian)為橢圓(yuan)形，使(shi)熱(re)(re)源有(you)效功率密度(du)提(ti)高，有(you)利于進一(yi)步提(ti)高焊速和減(jian)小(xiao)焊縫及(ji)熱(re)(re)影(ying)響區寬度(du)。四周帶(dai)有(you)多個(ge)小(xiao)孔的噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)（圖(tu)5-17c)可(ke)使(shi)等離子(zi)弧在噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)外得(de)到(dao)二次壓縮，用于切(qie)割(ge)，有(you)利于進一(yi)步提(ti)高等離子(zi)弧挺度(du)及(ji)切(qie)口質量；但(dan)過(guo)多的小(xiao)孔易受(shou)金屬飛濺(jian)物堵塞(sai)而失去其有(you)利作用并造(zao)成不利的等離子(zi)弧偏(pian)轉，因此并未得(de)到(dao)廣(guang)泛應用。

2. 噴嘴的材料和冷卻

等離子弧(hu)焊的(de)(de)噴嘴應采用(yong)(yong)導熱(re)性良(liang)好的(de)(de)紫銅制(zhi)成，大(da)功率（電流）噴嘴還必須采用(yong)(yong)直接水(shui)冷(leng)，并保(bao)證(zheng)冷(leng)卻(que)水(shui)有足夠的(de)(de)流量和壓(ya)力，最好配(pei)備專用(yong)(yong)高(gao)壓(ya)冷(leng)卻(que)裝(zhuang)置。大(da)功率等離子弧(hu)焊槍應采用(yong)(yong)循環的(de)(de)高(gao)壓(ya)蒸餾水(shui)直接冷(leng)卻(que)槍體，冷(leng)卻(que)水(shui)再(zai)經熱(re)交換器散熱(re)后循環使用(yong)(yong)。為了提高(gao)冷(leng)卻(que)效(xiao)果，噴嘴的(de)(de)壁(bi)厚一(yi)般在2mm~2.5mm之間(jian)。