等離(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(yi)、等(deng)離子(zi)弧(hu)的特性
1. 靜(jing)態特性(xing)
等離子弧的靜(jing)態特性仍然呈(cheng)U型曲線，但具有以下特點：
a. 由(you)于冷壁噴嘴的拘(ju)束(shu)作用使弧柱(zhu)(zhu)橫截面(mian)積(ji)受到限制，弧柱(zhu)(zhu)電(dian)場強度(du)增(zeng)大，電(dian)弧電(dian)壓明顯提高，U型特性的平(ping)直(zhi)區較(jiao)自由(you)電(dian)弧明顯縮小(xiao)。
b. 拘(ju)束(shu)孔道的尺寸和形(xing)狀(zhuang)對靜特(te)性有明顯的影響，噴(pen)嘴孔徑越(yue)小，U型特(te)性平直區域(yu)就越(yue)小，上(shang)升段斜率(lv)增大，即(ji)弧柱(zhu)電場強度增大。
c. 離子(zi)氣(qi)的(de)種類和流(liu)量不同時，弧(hu)柱的(de)電(dian)場強度將有明顯變化。因此(ci)，用于等(deng)(deng)離子(zi)弧(hu)焊的(de)電(dian)源空(kong)載(zai)電(dian)壓應按所用等(deng)(deng)離子(zi)氣(qi)種類而(er)定。
d. 如果采用(yong)聯合型(xing)等離子弧(hu)，轉(zhuan)移(yi)弧(hu)U型(xing)特性(xing)下降(jiang)區段斜率明顯減小(xiao)，這是由于非轉(zhuan)移(yi)弧(hu)的存在為轉(zhuan)移(yi)弧(hu)提供了(le)導(dao)電(dian)通路之故。因(yin)此(ci)小(xiao)電(dian)流微束等離子弧(hu)常(chang)采用(yong)混合型(xing)弧(hu)，以提高其穩定性(xing)。
2. 熱源特性
a. 溫度和能量(liang)密度
等離(li)子弧的(de)弧柱(zhu)溫(wen)(wen)度(du)高(gao)(gao)，能量(liang)密(mi)度(du)大(da)。從圖5-9和圖5-10可(ke)以看出(chu)，等離(li)子弧對(dui)焊(han)件加熱集中，熔(rong)透力(li)強(qiang)，焊(han)接時速度(du)要比氬弧焊(han)快得多(duo)，從而可(ke)提高(gao)(gao)焊(han)接生產效率(lv)。普通鎢極氬弧的(de)最高(gao)(gao)溫(wen)(wen)度(du)為10000K~24000K,能量(liang)密(mi)度(du)小于(yu)10kW/c㎡;而等離(li)子弧的(de)溫(wen)(wen)度(du)可(ke)高(gao)(gao)達24000K~50000K,能量(liang)密(mi)度(du)可(ke)達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此，等(deng)離子(zi)弧焊的焊縫截面形狀(zhuang)較窄(zhai)，深寬比大，無疑焊件變形就小。等(deng)離子(zi)弧焊和鎢極氬弧焊深寬比比較見(jian)圖5-11。
等離子弧溫度和能(neng)量密度高(gao)的(de)原因是：
①. 水冷噴嘴(zui)孔徑(jing)限定了弧柱橫截面(mian)積不(bu)能自(zi)由擴大，這種拘束(shu)作(zuo)用(yong)稱(cheng)為機械壓縮作(zuo)用(yong)。
②. 噴嘴水冷(leng)作(zuo)用(yong)使(shi)(shi)靠(kao)近(jin)噴嘴內壁的(de)氣體也(ye)受(shou)到(dao)強烈(lie)的(de)冷(leng)卻作(zuo)用(yong)，并且溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)和電(dian)離(li)度(du)(du)(du)均迅(xun)速下(xia)降(jiang)，迫(po)使(shi)(shi)弧(hu)柱(zhu)區電(dian)流集中(zhong)到(dao)弧(hu)柱(zhu)中(zhong)心的(de)高(gao)溫(wen)(wen)高(gao)電(dian)離(li)度(du)(du)(du)區。這(zhe)樣由于(yu)冷(leng)壁而在弧(hu)柱(zhu)四周(zhou)產生一層(ceng)電(dian)離(li)度(du)(du)(du)趨近(jin)于(yu)零的(de)冷(leng)氣膜，從而使(shi)(shi)弧(hu)柱(zhu)有(you)效(xiao)(xiao)橫(heng)截面進一步減小，電(dian)流密度(du)(du)(du)進一步提(ti)高(gao)。這(zhe)種使(shi)(shi)弧(hu)柱(zhu)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)和能量密度(du)(du)(du)提(ti)高(gao)的(de)作(zuo)用(yong)通常(chang)又稱為熱收縮(suo)效(xiao)(xiao)應。
③. 由(you)于以上兩(liang)個收縮效(xiao)應的存在，弧(hu)(hu)柱電(dian)流密(mi)度增大以后(hou)，弧(hu)(hu)柱電(dian)流線(xian)之間的電(dian)磁收縮作用也(ye)進(jin)一(yi)步(bu)增強，致使弧(hu)(hu)柱溫度和(he)能量(liang)密(mi)度進(jin)一(yi)步(bu)提高。以上3個因(yin)素中，噴嘴(zui)機械拘束是前提條件(jian)，而熱收縮則是最本質的原因(yin)。
等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)溫度(du)(du)和(he)能量密(mi)度(du)(du)的(de)顯(xian)著提高，弧(hu)柱(zhu)近似(si)于圓柱(zhu)形，使等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)的(de)穩定性和(he)挺(ting)直度(du)(du)變得更好。自(zi)由電弧(hu)（如鎢極(ji)氬弧(hu)焊(han)）的(de)擴(kuo)散角(jiao)(jiao)約為(wei)45°,等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)擴(kuo)散角(jiao)(jiao)約為(wei)5°(圖5-12),這是因(yin)為(wei)壓(ya)縮后從噴嘴(zui)口噴射(she)出的(de)等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)帶(dai)電質點運動速(su)度(du)(du)明顯(xian)提高所致，速(su)度(du)(du)最高可達(da)300m/s(跟噴嘴(zui)結構(gou)、離(li)(li)子(zi)(zi)氣種類和(he)流量有關）。
圖(tu)5-13是等(deng)離(li)子(zi)弧焊(han)和鎢極氬(ya)(ya)弧焊(han)時(shi)，弧長(chang)波動時(shi)對焊(han)縫(feng)熔深的(de)影(ying)響。當等(deng)離(li)子(zi)弧長(chang)（實(shi)際上是噴嘴端(duan)面(mian)到焊(han)件表面(mian)的(de)距離(li)）從(cong)(cong)3mm增大到8mm時(shi)，對焊(han)縫(feng)熔深幾乎不產(chan)生影(ying)響；而(er)鎢極氬(ya)(ya)弧孤長(chang)從(cong)(cong)1.5mm增大到2.5mm時(shi)，焊(han)縫(feng)的(de)熔深就明(ming)顯下降。
b. 熱源成(cheng)分
普(pu)通鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)中(zhong)，加(jia)熱(re)(re)焊(han)(han)(han)(han)件(jian)的熱(re)(re)量(liang)主要(yao)(yao)來(lai)源于(yu)陽極(ji)斑(ban)點(dian)，弧(hu)(hu)柱(zhu)輻射(she)熱(re)(re)和(he)傳導熱(re)(re)僅起輔助(zhu)作(zuo)用。在(zai)等離子弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)中(zhong)，情況則有(you)變化，弧(hu)(hu)柱(zhu)高速(su)等離子體通過(guo)接(jie)觸傳導和(he)輻射(she)帶給焊(han)(han)(han)(han)件(jian)的熱(re)(re)量(liang)明(ming)顯增加(jia)，甚至可能成為(wei)主要(yao)(yao)的熱(re)(re)量(liang)來(lai)源，而(er)陽極(ji)熱(re)(re)則降(jiang)為(wei)次(ci)要(yao)(yao)地位。
3. 等離(li)子弧的基本(ben)形式(shi)
等離(li)子(zi)弧按(an)電(dian)源的(de)接(jie)法和(he)產生形(xing)式的(de)不同，可分為(wei)轉(zhuan)移(yi)型(xing)(xing)、非轉(zhuan)移(yi)型(xing)(xing)和(he)聯(lian)合型(xing)(xing)3種(zhong)基(ji)本形(xing)式，如圖5-14所示。
a. 轉移(yi)型(xing)等離子弧
等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)是在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)(he)工(gong)件(jian)(jian)之間(jian)(jian)(jian)燃(ran)燒，但由于(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)內縮于(yu)(yu)等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)噴嘴(zui)內，難以直接形成(cheng)等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)，所以必須先(xian)在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)(he)水(shui)冷(leng)噴嘴(zui)之間(jian)(jian)(jian)引燃(ran)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)（水(shui)冷(leng)噴嘴(zui)既(ji)是電(dian)(dian)(dian)弧(hu)的(de)一極(ji)(ji)，又起著(zhu)冷(leng)壁拘(ju)束電(dian)(dian)(dian)弧(hu)的(de)作(zuo)用(yong)），再轉(zhuan)移(yi)(yi)為(wei)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與工(gong)件(jian)(jian)之間(jian)(jian)(jian)燃(ran)燒。這種借助(zhu)于(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與水(shui)冷(leng)噴嘴(zui)再轉(zhuan)移(yi)(yi)為(wei)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與工(gong)件(jian)(jian)之間(jian)(jian)(jian)的(de)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)稱為(wei)轉(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)（圖5-14a).由于(yu)(yu)轉(zhuan)移(yi)(yi)型等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)的(de)陽極(ji)(ji)斑點處于(yu)(yu)工(gong)件(jian)(jian)上，直接加熱工(gong)件(jian)(jian)，使(shi)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)熱量(liang)的(de)有效(xiao)利(li)用(yong)率提高，同時轉(zhuan)移(yi)(yi)型等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧(hu)具有很高的(de)動能和(he)(he)沖(chong)擊力(li)，特(te)別適(shi)合于(yu)(yu)焊接。
b. 非轉移型等離(li)子弧
電源接(jie)于電極和(he)噴(pen)(pen)嘴之間(jian)，工件不接(jie)入焊(han)接(jie)回路(lu)，鎢極為(wei)陰極，噴(pen)(pen)嘴為(wei)陽(yang)極，等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧在電極和(he)水冷噴(pen)(pen)嘴之間(jian)引燃電弧（水冷噴(pen)(pen)嘴既是(shi)電弧的(de)一極，又起著冷壁(bi)拘束電弧的(de)作用）噴(pen)(pen)出(chu)，形成(cheng)的(de)等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧稱為(wei)非(fei)轉移(yi)型(xing)等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧，又叫等(deng)(deng)離(li)子(zi)焰，見圖5-14b。
因為非轉(zhuan)移(yi)型等離(li)子弧(hu)對(dui)工件的(de)(de)加熱是間接(jie)的(de)(de)，傳(chuan)到工件上的(de)(de)熱量較少，只適用于(yu)焊接(jie)薄板和等離(li)子噴涂(tu)，這里就不再(zai)詳細介紹。
c. 聯合型等(deng)離子(zi)弧
轉移型(xing)等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)和非轉移型(xing)等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)同時存在的等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)，稱為聯(lian)合型(xing)等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)，如圖5-14c所示。這種(zhong)等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)焊(han)很少采用，這里(li)就不再詳(xiang)細介(jie)紹。
二、等離子弧焊(han)設備
1. 焊接電(dian)源
具有下降(jiang)或垂直(zhi)陡降(jiang)特(te)性(xing)的(de)直(zhi)流(liu)(liu)電(dian)(dian)源(yuan)（與鎢極氬弧焊的(de)電(dian)(dian)源(yuan)相同(tong)）都(dou)可(ke)(ke)供等(deng)離(li)子(zi)弧焊使(shi)用(yong)。用(yong)純氬氣做離(li)子(zi)氣時(shi)，電(dian)(dian)源(yuan)空(kong)載(zai)電(dian)(dian)壓只需(xu)65V~80V;用(yong)氬＋氫混(hun)合氣做離(li)子(zi)氣時(shi)，電(dian)(dian)源(yuan)空(kong)載(zai)電(dian)(dian)壓需(xu)110V~120V.若(ruo)無(wu)合適(shi)的(de)專用(yong)電(dian)(dian)源(yuan)，可(ke)(ke)用(yong)兩臺普通直(zhi)流(liu)(liu)弧焊電(dian)(dian)源(yuan)串聯使(shi)用(yong)。大電(dian)(dian)流(liu)(liu)等(deng)離(li)子(zi)弧焊都(dou)采(cai)用(yong)轉(zhuan)移(yi)型(xing)弧，用(yong)高頻(pin)引燃非(fei)轉(zhuan)移(yi)弧，然后轉(zhuan)移(yi)成(cheng)轉(zhuan)移(yi)弧。因此，一般可(ke)(ke)以采(cai)用(yong)一臺焊接電(dian)(dian)源(yuan)，用(yong)串接電(dian)(dian)阻的(de)方法向電(dian)(dian)極和(he)水(shui)冷噴嘴回路提供產生非(fei)轉(zhuan)移(yi)弧所(suo)需(xu)要的(de)較(jiao)低電(dian)(dian)流(liu)(liu)，見(jian)圖5-14a。
2. 引(yin)弧裝置
等離(li)子弧焊的引弧裝(zhuang)置(zhi)與(yu)鎢極(ji)氬弧焊的引弧裝(zhuang)置(zhi)基本(ben)相同(tong)。
3. 控制系統
使用兩套(tao)電源時，需(xu)能分別調節非轉移弧和轉移弧的電流，其余與(yu)鎢(wu)極氬弧焊類似。遇復雜情況，還(huan)需(xu)能控(kong)制離(li)子氣的遞增(zeng)和衰(shuai)減。
4. 氣路(lu)和水(shui)路(lu)
等離子(zi)弧焊供氣(qi)(qi)(qi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)氣(qi)(qi)(qi)路要比鎢極氬(ya)弧焊復雜，見圖5-15。等離子(zi)弧焊如采用(yong)混(hun)氫(qing)混(hun)合氣(qi)(qi)(qi)體(ti)時，必須(xu)保證(zheng)供氣(qi)(qi)(qi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)中不(bu)能(neng)漏氣(qi)(qi)(qi)，否(fou)則會有(you)引起爆(bao)炸(zha)的(de)危(wei)險。在供氣(qi)(qi)(qi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)中，要有(you)氣(qi)(qi)(qi)流匯(hui)流裝(zhuang)置進(jin)行均(jun)流，均(jun)勻地將氣(qi)(qi)(qi)分配給各路氣(qi)(qi)(qi)路；還要有(you)貯(zhu)氣(qi)(qi)(qi)筒(tong)，對離子(zi)氣(qi)(qi)(qi)進(jin)行緩沖。衰(shuai)減氣(qi)(qi)(qi)閥對結束焊接時的(de)氣(qi)(qi)(qi)流進(jin)行衰(shuai)減。
等離子(zi)弧焊的水路(lu)與鎢極(ji)氬(ya)弧焊的水路(lu)相同。
5. 焊槍(qiang)
等(deng)離(li)子弧焊(han)槍(qiang)要比(bi)鎢極氬焊(han)焊(han)槍(qiang)復(fu)雜(za)、精密得多，其中最主要的(de)部件是離(li)子弧噴嘴(zui)和保證鎢極與等(deng)離(li)子噴嘴(zui)同心的(de)裝置。某(mou)型號(hao)300A等(deng)離(li)子弧焊(han)槍(qiang)結構見圖5-16。
三、等離(li)子弧(hu)焊槍的噴嘴
等離子弧焊(han)槍的(de)噴嘴是產生等離子弧的(de)關鍵部件，它的(de)設計是否(fou)合理，對(dui)保證等離子弧的(de)穩定、正常工作以及(ji)焊(han)接質量具有決定性作用。
1. 噴嘴(zui)的(de)主要(yao)結構參數（圖(tu)5-17)
a. 噴嘴孔徑d
噴嘴孔徑d,它決定(ding)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)直徑的(de)大(da)小。噴嘴孔徑d決定(ding)了(le)應使(shi)用的(de)焊(han)(han)接(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)和離(li)(li)子(zi)氣流(liu)量，也可以(yi)依據焊(han)(han)接(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)和離(li)(li)子(zi)氣流(liu)量先擇(ze)噴嘴孔徑d的(de)大(da)小。總之，d越大(da)則壓縮作用越小，當(dang)d過于大(da)對則無壓縮效(xiao)果；而d過小時，則會(hui)引起雙(shuang)弧(hu)(hu)（圖5-47),破壞了(le)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)的(de)穩定(ding)性。因此，對于給定(ding)的(de)d值，有一個合理的(de)焊(han)(han)接(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)使(shi)用范圍。表5-2列(lie)出(chu)了(le)常用的(de)某型(xing)號噴嘴孔徑d及其(qi)焊(han)(han)接(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)使(shi)用范圍，供參考。
b. 噴嘴(zui)孔長度L
當噴嘴孔(kong)徑d給定時，噴嘴孔(kong)長度（深度）L的(de)增加(jia)，則壓縮作(zuo)用(yong)加(jia)強。常以L/d表示噴嘴孔(kong)道(dao)壓縮特征，稱之為(wei)孔(kong)道(dao)比（表5-3).
c. 錐角 α
錐角(jiao)α又稱壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)角(jiao)，實際上它(ta)對(dui)(dui)等(deng)離子弧壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)狀(zhuang)態影響不大，特別(bie)是當離子氣流量較(jiao)小(xiao)，L/d較(jiao)小(xiao)時。但壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)角(jiao)小(xiao)時，能(neng)增(zeng)強對(dui)(dui)電弧的(de)壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)作用。一般應注(zhu)意和鎢極端(duan)部形狀(zhuang)相配(pei)合，以利于陰極斑點(dian)置于鎢極頂端(duan)而不上漂。常(chang)用的(de)壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)角(jiao)α值(zhi)為60°~75°。
d. 壓縮(suo)通道的形(xing)狀
多(duo)數噴嘴采用(yong)圓柱形壓(ya)縮通道，但也有采用(yong)圓錐(zhui)形、臺階圓柱形等(deng)(deng)擴散(san)型噴嘴。這類(lei)噴嘴降低了壓(ya)縮程度，有利于提高(gao)等(deng)(deng)離子弧的穩(wen)定性和噴嘴使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。擴散(san)型噴嘴結(jie)構(gou)見圖5-18。
除(chu)了(le)單孔型（圖5-17a)噴(pen)嘴(zui)(zui)外(wai)，還(huan)有多孔型噴(pen)嘴(zui)(zui)。例如(ru)，兩側帶有2個輔助小(xiao)(xiao)孔的(de)焊(han)接噴(pen)嘴(zui)(zui)（圖5-17b),可使等離子(zi)(zi)弧的(de)橫截面(mian)由圓形(xing)變(bian)為橢(tuo)圓形(xing)，使熱源有效功率密(mi)度(du)提高(gao)，有利(li)(li)于進一(yi)步提高(gao)焊(han)速和減小(xiao)(xiao)焊(han)縫及熱影響區寬度(du)。四周帶有多個小(xiao)(xiao)孔的(de)噴(pen)嘴(zui)(zui)（圖5-17c)可使等離子(zi)(zi)弧在噴(pen)嘴(zui)(zui)外(wai)得到二(er)次壓縮，用(yong)(yong)于切(qie)割，有利(li)(li)于進一(yi)步提高(gao)等離子(zi)(zi)弧挺度(du)及切(qie)口質量；但過多的(de)小(xiao)(xiao)孔易(yi)受金屬飛濺物堵塞而(er)失去其有利(li)(li)作用(yong)(yong)并造成不利(li)(li)的(de)等離子(zi)(zi)弧偏(pian)轉(zhuan)，因此并未(wei)得到廣(guang)泛(fan)應用(yong)(yong)。
2. 噴嘴的材料和(he)冷卻
等(deng)離子(zi)弧(hu)焊的噴嘴(zui)應采用(yong)導熱(re)性(xing)良(liang)好的紫銅制(zhi)成，大功(gong)率（電流）噴嘴(zui)還必須采用(yong)直接水冷，并(bing)保證冷卻(que)水有足(zu)夠的流量和壓(ya)力，最好配備專用(yong)高(gao)壓(ya)冷卻(que)裝置。大功(gong)率等(deng)離子(zi)弧(hu)焊槍應采用(yong)循環的高(gao)壓(ya)蒸餾水直接冷卻(que)槍體，冷卻(que)水再經熱(re)交換器散熱(re)后循環使用(yong)。為(wei)了提高(gao)冷卻(que)效果，噴嘴(zui)的壁(bi)厚一般在2mm~2.5mm之間。
