等(deng)離(li)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. 靜態特(te)性

 等離子(zi)弧的(de)靜態特性仍然呈U型曲線(xian)，但具有以下特點：

  a. 由于(yu)冷壁噴嘴的拘束(shu)作用(yong)使弧柱橫(heng)截面積受到限制，弧柱電(dian)場強度增大，電(dian)弧電(dian)壓明顯提(ti)高，U型特性的平直(zhi)區較自由電(dian)弧明顯縮(suo)小。

  b. 拘束孔道(dao)的(de)尺寸和形狀(zhuang)對靜特(te)性有(you)明(ming)顯的(de)影響，噴嘴孔徑越小，U型特(te)性平直區域就越小，上升(sheng)段斜(xie)率(lv)增大，即弧柱(zhu)電(dian)場強度增大。

  c. 離子(zi)氣的種類(lei)和流(liu)量不同時，弧柱的電(dian)場強度將有明顯變(bian)化。因(yin)此，用(yong)于(yu)等離子(zi)弧焊的電(dian)源(yuan)空載電(dian)壓應按(an)所用(yong)等離子(zi)氣種類(lei)而(er)定。

  d. 如(ru)果采用聯合型等離子(zi)(zi)弧，轉移弧U型特性(xing)(xing)下降區段斜率(lv)明顯減(jian)小(xiao)，這是由于非轉移弧的存在為轉移弧提(ti)供了導電(dian)通路(lu)之(zhi)故。因(yin)此(ci)小(xiao)電(dian)流微束等離子(zi)(zi)弧常采用混合型弧，以提(ti)高其(qi)穩定性(xing)(xing)。

2. 熱源特性

  a. 溫度和能量(liang)密度

   等(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)的(de)弧(hu)柱溫(wen)度(du)(du)(du)高(gao)(gao)，能(neng)量密(mi)度(du)(du)(du)大。從圖(tu)(tu)5-9和(he)圖(tu)(tu)5-10可(ke)(ke)以看(kan)出，等(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)對(dui)焊(han)件(jian)加熱集中，熔透力強(qiang)，焊(han)接時速度(du)(du)(du)要比氬弧(hu)焊(han)快得多，從而(er)(er)可(ke)(ke)提高(gao)(gao)焊(han)接生(sheng)產效率。普通鎢極氬弧(hu)的(de)最高(gao)(gao)溫(wen)度(du)(du)(du)為10000K~24000K,能(neng)量密(mi)度(du)(du)(du)小于(yu)10kW/c㎡;而(er)(er)等(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)的(de)溫(wen)度(du)(du)(du)可(ke)(ke)高(gao)(gao)達24000K~50000K,能(neng)量密(mi)度(du)(du)(du)可(ke)(ke)達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.

   因此，等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧焊(han)的焊(han)縫(feng)截面(mian)形狀(zhuang)較窄，深(shen)寬(kuan)比(bi)(bi)大，無疑焊(han)件(jian)變形就小。等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧焊(han)和鎢(wu)極氬弧焊(han)深(shen)寬(kuan)比(bi)(bi)比(bi)(bi)較見圖5-11。

  等(deng)離子弧溫度和能量密(mi)度高(gao)的原因(yin)是(shi)：

   ①. 水冷噴(pen)嘴孔徑限(xian)定了(le)弧柱橫截面積不(bu)能自由擴大，這種(zhong)拘束作(zuo)用(yong)稱為機械壓(ya)縮(suo)作(zuo)用(yong)。

   ②. 噴嘴(zui)水冷作(zuo)(zuo)(zuo)用使(shi)靠(kao)近噴嘴(zui)內壁的(de)氣體也受到強烈(lie)的(de)冷卻作(zuo)(zuo)(zuo)用，并(bing)且溫度(du)和電離度(du)均迅速下(xia)降，迫使(shi)弧(hu)(hu)柱區電流集中到弧(hu)(hu)柱中心的(de)高(gao)溫高(gao)電離度(du)區。這(zhe)樣由(you)于冷壁而(er)在弧(hu)(hu)柱四周(zhou)產生一(yi)層電離度(du)趨(qu)近于零的(de)冷氣膜，從而(er)使(shi)弧(hu)(hu)柱有效橫(heng)截面進一(yi)步(bu)減小，電流密度(du)進一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)。這(zhe)種使(shi)弧(hu)(hu)柱溫度(du)和能量密度(du)提(ti)高(gao)的(de)作(zuo)(zuo)(zuo)用通常又稱為熱收縮效應。

  ③. 由于(yu)以(yi)上(shang)兩個(ge)收(shou)縮(suo)效應的存(cun)在(zai)，弧柱電流(liu)(liu)密(mi)度增大以(yi)后，弧柱電流(liu)(liu)線之間的電磁收(shou)縮(suo)作用(yong)也進一步(bu)增強，致使弧柱溫(wen)度和能量密(mi)度進一步(bu)提高(gao)。以(yi)上(shang)3個(ge)因素(su)中(zhong)，噴(pen)嘴機械拘束是(shi)前提條件，而熱(re)收(shou)縮(suo)則是(shi)最本質的原因。

  等離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)溫度(du)和能量(liang)密度(du)的(de)顯(xian)(xian)著提(ti)高(gao)，弧(hu)(hu)柱近似于圓(yuan)柱形，使(shi)等離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)的(de)穩定性和挺直(zhi)度(du)變得更好(hao)。自由電弧(hu)(hu)（如(ru)鎢(wu)極(ji)氬弧(hu)(hu)焊）的(de)擴(kuo)散(san)角約為(wei)45°,等離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)擴(kuo)散(san)角約為(wei)5°(圖5-12),這(zhe)是(shi)因為(wei)壓縮后從噴(pen)嘴口噴(pen)射出的(de)等離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)帶電質(zhi)點運動速度(du)明顯(xian)(xian)提(ti)高(gao)所致，速度(du)最(zui)高(gao)可(ke)達(da)300m/s(跟噴(pen)嘴結構、離(li)(li)子(zi)氣種類(lei)和流(liu)量(liang)有關）。

  圖5-13是(shi)等(deng)離子弧焊(han)和(he)鎢極(ji)氬(ya)(ya)弧焊(han)時(shi)(shi)，弧長(chang)波動時(shi)(shi)對焊(han)縫熔(rong)深(shen)的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)。當等(deng)離子弧長(chang)（實際(ji)上是(shi)噴嘴端(duan)面(mian)到焊(han)件表面(mian)的(de)(de)(de)距離）從3mm增(zeng)大(da)到8mm時(shi)(shi)，對焊(han)縫熔(rong)深(shen)幾(ji)乎不產生影(ying)響(xiang)；而鎢極(ji)氬(ya)(ya)弧孤長(chang)從1.5mm增(zeng)大(da)到2.5mm時(shi)(shi)，焊(han)縫的(de)(de)(de)熔(rong)深(shen)就明(ming)顯下(xia)降。

 b. 熱源成(cheng)分

  普通鎢極氬弧(hu)焊中(zhong)，加熱(re)焊件的熱(re)量(liang)主要來源于陽(yang)極斑點，弧(hu)柱(zhu)輻(fu)射熱(re)和傳導熱(re)僅起輔(fu)助作用。在等離子(zi)弧(hu)焊中(zhong)，情況則有變化，弧(hu)柱(zhu)高(gao)速等離子(zi)體通過接觸傳導和輻(fu)射帶給焊件的熱(re)量(liang)明顯增加，甚至可能(neng)成為主要的熱(re)量(liang)來源，而陽(yang)極熱(re)則降為次要地(di)位。

3. 等離子弧(hu)的基本形式(shi)

 等離子弧按電源(yuan)的接法和產生形式(shi)的不同，可分為轉移(yi)(yi)型、非轉移(yi)(yi)型和聯合(he)型3種(zhong)基本形式(shi)，如圖(tu)5-14所示。

  a. 轉移型等(deng)離子(zi)弧

  等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)(hu)是在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)工(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)燃(ran)燒，但由于(yu)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)內縮于(yu)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)(hu)噴嘴(zui)(zui)內，難以(yi)直接形成等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)(hu)，所(suo)以(yi)必(bi)須先在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)水冷(leng)(leng)噴嘴(zui)(zui)之(zhi)間(jian)引燃(ran)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)（水冷(leng)(leng)噴嘴(zui)(zui)既(ji)是電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)一極(ji)(ji)，又起(qi)著冷(leng)(leng)壁拘束電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)作用(yong)），再(zai)轉(zhuan)移為電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與工(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)燃(ran)燒。這(zhe)種借助于(yu)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與水冷(leng)(leng)噴嘴(zui)(zui)再(zai)轉(zhuan)移為電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與工(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)稱為轉(zhuan)移弧(hu)(hu)(hu)（圖5-14a).由于(yu)轉(zhuan)移型(xing)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)(hu)的(de)陽極(ji)(ji)斑點(dian)處于(yu)工(gong)(gong)件(jian)上，直接加熱工(gong)(gong)件(jian)，使電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)熱量的(de)有效利(li)用(yong)率(lv)提高(gao)，同時轉(zhuan)移型(xing)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)(hu)具有很(hen)高(gao)的(de)動能和(he)沖(chong)擊(ji)力，特別適(shi)合于(yu)焊接。

  b. 非轉移型等離子弧

  電(dian)(dian)源(yuan)接(jie)于電(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)(he)噴(pen)(pen)嘴之(zhi)間(jian)，工件不接(jie)入(ru)焊接(jie)回(hui)路，鎢極(ji)(ji)為(wei)陰極(ji)(ji)，噴(pen)(pen)嘴為(wei)陽極(ji)(ji)，等離(li)子弧(hu)在電(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)(he)水(shui)(shui)冷(leng)噴(pen)(pen)嘴之(zhi)間(jian)引燃(ran)電(dian)(dian)弧(hu)（水(shui)(shui)冷(leng)噴(pen)(pen)嘴既是(shi)電(dian)(dian)弧(hu)的(de)一極(ji)(ji)，又起著冷(leng)壁拘束電(dian)(dian)弧(hu)的(de)作用）噴(pen)(pen)出，形成的(de)等離(li)子弧(hu)稱為(wei)非轉移型等離(li)子弧(hu)，又叫等離(li)子焰，見圖(tu)5-14b。

  因(yin)為非轉移型等離(li)(li)子弧對工(gong)件的加熱是間接(jie)的，傳到工(gong)件上(shang)的熱量較(jiao)少，只適用(yong)于焊接(jie)薄板和等離(li)(li)子噴涂(tu)，這里就不再詳細介(jie)紹。

 c. 聯(lian)合型等離子弧(hu)

 轉移型(xing)(xing)等(deng)離(li)(li)(li)子弧(hu)和非(fei)轉移型(xing)(xing)等(deng)離(li)(li)(li)子弧(hu)同時(shi)存在的等(deng)離(li)(li)(li)子弧(hu)，稱為聯(lian)合型(xing)(xing)等(deng)離(li)(li)(li)子弧(hu)，如(ru)圖5-14c所示。這(zhe)種等(deng)離(li)(li)(li)子弧(hu)焊很少采用，這(zhe)里就(jiu)不再(zai)詳細介紹。

二、等離子弧(hu)焊設(she)備

1. 焊接(jie)電(dian)源

具有下(xia)降(jiang)或垂直陡降(jiang)特性(xing)的(de)直流電(dian)(dian)源（與鎢極(ji)氬(ya)弧(hu)焊(han)(han)(han)(han)的(de)電(dian)(dian)源相同）都可(ke)供等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)(han)(han)(han)使(shi)用(yong)(yong)。用(yong)(yong)純氬(ya)氣做離(li)子(zi)氣時，電(dian)(dian)源空載電(dian)(dian)壓只(zhi)需65V~80V;用(yong)(yong)氬(ya)＋氫混(hun)合氣做離(li)子(zi)氣時，電(dian)(dian)源空載電(dian)(dian)壓需110V~120V.若無合適的(de)專(zhuan)用(yong)(yong)電(dian)(dian)源，可(ke)用(yong)(yong)兩臺普(pu)通(tong)直流弧(hu)焊(han)(han)(han)(han)電(dian)(dian)源串聯(lian)使(shi)用(yong)(yong)。大電(dian)(dian)流等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)(han)(han)(han)都采(cai)用(yong)(yong)轉移(yi)(yi)型弧(hu)，用(yong)(yong)高(gao)頻引燃(ran)非(fei)轉移(yi)(yi)弧(hu)，然(ran)后轉移(yi)(yi)成轉移(yi)(yi)弧(hu)。因此，一(yi)般可(ke)以采(cai)用(yong)(yong)一(yi)臺焊(han)(han)(han)(han)接(jie)電(dian)(dian)源，用(yong)(yong)串接(jie)電(dian)(dian)阻的(de)方法(fa)向電(dian)(dian)極(ji)和水冷噴嘴回路提(ti)供產(chan)生(sheng)非(fei)轉移(yi)(yi)弧(hu)所(suo)需要(yao)的(de)較低(di)電(dian)(dian)流，見圖5-14a。

2. 引弧裝置

 等離子(zi)弧(hu)焊的(de)引弧(hu)裝(zhuang)(zhuang)置與(yu)鎢極氬弧(hu)焊的(de)引弧(hu)裝(zhuang)(zhuang)置基本相同。

3. 控制系統

使用兩套電源時，需能分別調節非轉移弧(hu)和轉移弧(hu)的電流，其(qi)余與鎢極氬弧(hu)焊類似。遇復雜情況，還需能控制離子(zi)氣的遞增和衰減。

4. 氣路和水路

 等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)供(gong)氣(qi)(qi)系統(tong)(tong)的氣(qi)(qi)路(lu)(lu)要比鎢極(ji)氬(ya)弧(hu)焊(han)復雜(za)，見(jian)圖5-15。等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)如采用混氫混合(he)氣(qi)(qi)體時(shi)，必須保證供(gong)氣(qi)(qi)系統(tong)(tong)中不能漏氣(qi)(qi)，否(fou)則會有引(yin)起爆炸的危險。在供(gong)氣(qi)(qi)系統(tong)(tong)中，要有氣(qi)(qi)流(liu)匯流(liu)裝置(zhi)進(jin)行均流(liu)，均勻地將(jiang)氣(qi)(qi)分配給各(ge)路(lu)(lu)氣(qi)(qi)路(lu)(lu)；還要有貯氣(qi)(qi)筒，對(dui)離(li)子(zi)氣(qi)(qi)進(jin)行緩沖。衰減氣(qi)(qi)閥對(dui)結束焊(han)接時(shi)的氣(qi)(qi)流(liu)進(jin)行衰減。

 等離子弧焊(han)(han)的水(shui)路與鎢極氬(ya)弧焊(han)(han)的水(shui)路相同。

5. 焊槍

 等(deng)離子(zi)弧焊(han)(han)槍要(yao)比鎢極氬(ya)焊(han)(han)焊(han)(han)槍復雜、精密得多，其(qi)中最主要(yao)的部件是離子(zi)弧噴(pen)嘴和保證鎢極與等(deng)離子(zi)噴(pen)嘴同心(xin)的裝置。某型(xing)號300A等(deng)離子(zi)弧焊(han)(han)槍結構見圖5-16。

三(san)、等離子弧焊槍的(de)噴嘴

 等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)焊槍的(de)噴(pen)嘴(zui)是產生等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)的(de)關(guan)鍵部件(jian)，它的(de)設計是否(fou)合理，對保證等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)的(de)穩定、正常工作(zuo)以及焊接質量具有決定性作(zuo)用。

1. 噴嘴的主(zhu)要結構參(can)數（圖5-17)

  a. 噴嘴(zui)孔徑d

   噴(pen)嘴(zui)孔(kong)徑d,它決定等離子(zi)(zi)弧(hu)直徑的大(da)小(xiao)(xiao)。噴(pen)嘴(zui)孔(kong)徑d決定了(le)(le)應使(shi)用(yong)的焊(han)接(jie)(jie)電流和離子(zi)(zi)氣(qi)流量(liang)，也可(ke)以依據焊(han)接(jie)(jie)電流和離子(zi)(zi)氣(qi)流量(liang)先擇噴(pen)嘴(zui)孔(kong)徑d的大(da)小(xiao)(xiao)。總之，d越(yue)大(da)則壓縮(suo)作用(yong)越(yue)小(xiao)(xiao)，當d過(guo)于大(da)對則無壓縮(suo)效果；而d過(guo)小(xiao)(xiao)時，則會(hui)引起雙弧(hu)（圖5-47),破壞了(le)(le)等離子(zi)(zi)弧(hu)的穩定性。因此，對于給(gei)定的d值，有一個合理(li)的焊(han)接(jie)(jie)電流使(shi)用(yong)范圍。表5-2列出了(le)(le)常用(yong)的某型(xing)號噴(pen)嘴(zui)孔(kong)徑d及其焊(han)接(jie)(jie)電流的使(shi)用(yong)范圍，供(gong)參考(kao)。

  b. 噴嘴孔長度(du)L

 當噴(pen)(pen)嘴(zui)孔徑d給定時，噴(pen)(pen)嘴(zui)孔長度(du)（深度(du)）L的增加，則壓縮(suo)作(zuo)用加強。常以L/d表(biao)示噴(pen)(pen)嘴(zui)孔道(dao)(dao)壓縮(suo)特征，稱之為孔道(dao)(dao)比（表(biao)5-3).

  c. 錐角 α

   錐角α又稱壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)角，實際上它對(dui)等離子(zi)弧壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)狀態(tai)影響(xiang)不(bu)大(da)，特別是當離子(zi)氣流量較小(xiao)，L/d較小(xiao)時(shi)。但壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)角小(xiao)時(shi)，能增強對(dui)電弧的(de)壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)作用。一般應注意和鎢極(ji)端(duan)部(bu)形狀相(xiang)配合，以利于(yu)陰(yin)極(ji)斑(ban)點(dian)置于(yu)鎢極(ji)頂端(duan)而(er)不(bu)上漂。常(chang)用的(de)壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)角α值為60°~75°。

 d. 壓縮(suo)通(tong)道(dao)的形狀

 多數噴(pen)嘴(zui)(zui)(zui)采用圓(yuan)柱形(xing)壓(ya)縮(suo)通(tong)道(dao)，但也有(you)采用圓(yuan)錐形(xing)、臺階(jie)圓(yuan)柱形(xing)等擴(kuo)散型(xing)噴(pen)嘴(zui)(zui)(zui)。這(zhe)類噴(pen)嘴(zui)(zui)(zui)降低了壓(ya)縮(suo)程(cheng)度，有(you)利于提高等離(li)子(zi)弧的穩定性和噴(pen)嘴(zui)(zui)(zui)使用壽命。擴(kuo)散型(xing)噴(pen)嘴(zui)(zui)(zui)結構見圖(tu)5-18。

 除了單(dan)孔(kong)型(xing)（圖(tu)5-17a)噴嘴(zui)外(wai)，還有(you)(you)多孔(kong)型(xing)噴嘴(zui)。例如，兩側帶有(you)(you)2個輔助小(xiao)(xiao)孔(kong)的(de)焊接噴嘴(zui)（圖(tu)5-17b),可使等(deng)(deng)離(li)(li)子弧的(de)橫截面由圓形變為橢(tuo)圓形，使熱源有(you)(you)效功(gong)率密度提(ti)高，有(you)(you)利(li)于(yu)進(jin)一步(bu)提(ti)高焊速和減小(xiao)(xiao)焊縫及熱影響區寬度。四周(zhou)帶有(you)(you)多個小(xiao)(xiao)孔(kong)的(de)噴嘴(zui)（圖(tu)5-17c)可使等(deng)(deng)離(li)(li)子弧在噴嘴(zui)外(wai)得到(dao)二次壓縮，用(yong)于(yu)切割，有(you)(you)利(li)于(yu)進(jin)一步(bu)提(ti)高等(deng)(deng)離(li)(li)子弧挺度及切口質量；但(dan)過(guo)多的(de)小(xiao)(xiao)孔(kong)易受金(jin)屬飛濺物堵塞而失去其有(you)(you)利(li)作用(yong)并(bing)造成不(bu)利(li)的(de)等(deng)(deng)離(li)(li)子弧偏轉，因此并(bing)未得到(dao)廣(guang)泛應用(yong)。

2. 噴嘴(zui)的材(cai)料和冷卻

等離子(zi)弧焊(han)的(de)噴嘴(zui)應采(cai)用導熱性(xing)良好的(de)紫銅制成(cheng)，大功率（電流）噴嘴(zui)還必須(xu)采(cai)用直接水冷(leng)，并保證冷(leng)卻(que)(que)水有足夠的(de)流量和(he)壓(ya)力，最好配備專(zhuan)用高(gao)(gao)壓(ya)冷(leng)卻(que)(que)裝置。大功率等離子(zi)弧焊(han)槍(qiang)應采(cai)用循環的(de)高(gao)(gao)壓(ya)蒸餾水直接冷(leng)卻(que)(que)槍(qiang)體，冷(leng)卻(que)(que)水再經熱交換(huan)器(qi)散熱后循環使用。為了(le)提(ti)高(gao)(gao)冷(leng)卻(que)(que)效果，噴嘴(zui)的(de)壁厚一般在2mm~2.5mm之間。