等離子弧(hu)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(de)特性

1. 靜態特性

 等離(li)子弧的(de)靜態特(te)性仍然(ran)呈U型(xing)曲線，但具有以下特(te)點：

  a. 由(you)于冷壁(bi)噴嘴(zui)的拘束作(zuo)用(yong)使弧柱橫(heng)截面積受到限制(zhi)，弧柱電(dian)場強度(du)增大，電(dian)弧電(dian)壓(ya)明(ming)顯提(ti)高，U型特性的平(ping)直區較自由(you)電(dian)弧明(ming)顯縮小。

  b. 拘束孔(kong)(kong)道的尺寸和形狀對靜特性有明顯的影響，噴嘴孔(kong)(kong)徑越小(xiao)，U型特性平直區域就越小(xiao)，上升(sheng)段斜率增(zeng)大，即弧柱電(dian)場強度增(zeng)大。

  c. 離(li)子氣的(de)種類和流量(liang)不同時(shi)，弧柱的(de)電(dian)場強度(du)將有(you)明(ming)顯變化。因此，用(yong)于等(deng)離(li)子弧焊的(de)電(dian)源空載電(dian)壓應(ying)按所用(yong)等(deng)離(li)子氣種類而定。

  d. 如果(guo)采用(yong)聯合型(xing)(xing)等(deng)離子弧(hu)，轉移(yi)弧(hu)U型(xing)(xing)特性(xing)下降區段(duan)斜(xie)率明顯(xian)減小(xiao)(xiao)，這是由于(yu)非轉移(yi)弧(hu)的存在為轉移(yi)弧(hu)提(ti)供了導電通路之(zhi)故。因此小(xiao)(xiao)電流微(wei)束等(deng)離子弧(hu)常采用(yong)混合型(xing)(xing)弧(hu)，以提(ti)高其穩(wen)定性(xing)。

2. 熱源特性

  a. 溫(wen)度和能量(liang)密度

   等離子(zi)弧(hu)(hu)的(de)(de)(de)弧(hu)(hu)柱(zhu)溫度高(gao)，能量密度大。從(cong)圖5-9和圖5-10可(ke)以看(kan)出，等離子(zi)弧(hu)(hu)對焊(han)件加(jia)熱集(ji)中，熔(rong)透力強，焊(han)接(jie)時速度要比氬弧(hu)(hu)焊(han)快(kuai)得多(duo)，從(cong)而(er)可(ke)提(ti)高(gao)焊(han)接(jie)生產(chan)效率。普通鎢極氬弧(hu)(hu)的(de)(de)(de)最高(gao)溫度為10000K~24000K,能量密度小(xiao)于10kW/c㎡;而(er)等離子(zi)弧(hu)(hu)的(de)(de)(de)溫度可(ke)高(gao)達24000K~50000K,能量密度可(ke)達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.

   因此，等離(li)(li)子弧(hu)焊(han)(han)的(de)焊(han)(han)縫(feng)截面形狀較(jiao)窄(zhai)，深寬(kuan)比大，無疑焊(han)(han)件變形就小。等離(li)(li)子弧(hu)焊(han)(han)和鎢極氬弧(hu)焊(han)(han)深寬(kuan)比比較(jiao)見圖5-11。

  等(deng)離子(zi)弧溫度和(he)能量(liang)密度高的原因是：

   ①. 水冷噴嘴孔徑限定(ding)了弧(hu)柱(zhu)橫截面積不(bu)能自由擴大，這種拘(ju)束作用(yong)稱(cheng)為(wei)機械(xie)壓縮作用(yong)。

   ②. 噴嘴水冷作用使(shi)(shi)(shi)靠近噴嘴內(nei)壁的(de)(de)氣體也(ye)受到強烈(lie)的(de)(de)冷卻作用，并且溫(wen)度(du)和電(dian)離度(du)均迅速下降，迫使(shi)(shi)(shi)弧柱區電(dian)流集(ji)中到弧柱中心(xin)的(de)(de)高(gao)溫(wen)高(gao)電(dian)離度(du)區。這(zhe)(zhe)樣由于冷壁而(er)在弧柱四周(zhou)產生一(yi)層電(dian)離度(du)趨近于零的(de)(de)冷氣膜(mo)，從而(er)使(shi)(shi)(shi)弧柱有效橫截面進(jin)一(yi)步減小，電(dian)流密(mi)度(du)進(jin)一(yi)步提高(gao)。這(zhe)(zhe)種使(shi)(shi)(shi)弧柱溫(wen)度(du)和能量密(mi)度(du)提高(gao)的(de)(de)作用通(tong)常又稱為熱收縮效應(ying)。

  ③. 由于以(yi)上兩個收(shou)縮效(xiao)應的存在，弧柱(zhu)(zhu)電(dian)流密(mi)度(du)(du)(du)增大以(yi)后(hou)，弧柱(zhu)(zhu)電(dian)流線之間的電(dian)磁收(shou)縮作用也進(jin)一步增強(qiang)，致(zhi)使(shi)弧柱(zhu)(zhu)溫度(du)(du)(du)和能量密(mi)度(du)(du)(du)進(jin)一步提高。以(yi)上3個因素中，噴嘴機械拘束(shu)是(shi)前(qian)提條件，而熱收(shou)縮則是(shi)最本質的原因。

  等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧溫度(du)(du)和能量(liang)密度(du)(du)的(de)顯著提高(gao)，弧柱近(jin)似(si)于圓柱形，使等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧的(de)穩定(ding)性和挺(ting)直度(du)(du)變得更好。自由電弧（如鎢極(ji)氬弧焊）的(de)擴散角(jiao)約為45°,等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧擴散角(jiao)約為5°(圖5-12),這是因(yin)為壓(ya)縮后從(cong)噴嘴(zui)口(kou)噴射(she)出的(de)等(deng)(deng)離(li)子(zi)弧帶電質點運動速度(du)(du)明顯提高(gao)所(suo)致(zhi)，速度(du)(du)最高(gao)可(ke)達300m/s(跟噴嘴(zui)結構、離(li)子(zi)氣種(zhong)類和流(liu)量(liang)有(you)關）。

  圖5-13是(shi)等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)和鎢極(ji)(ji)氬弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)時(shi)，弧(hu)(hu)(hu)長(chang)波(bo)動時(shi)對焊(han)(han)縫(feng)熔深的(de)影響(xiang)。當等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)(hu)長(chang)（實際上是(shi)噴嘴端面到焊(han)(han)件表面的(de)距離(li)）從3mm增大到8mm時(shi)，對焊(han)(han)縫(feng)熔深幾乎不產生影響(xiang)；而(er)鎢極(ji)(ji)氬弧(hu)(hu)(hu)孤長(chang)從1.5mm增大到2.5mm時(shi)，焊(han)(han)縫(feng)的(de)熔深就明顯下(xia)降。

 b. 熱(re)源成分

  普通(tong)鎢極氬弧焊中(zhong)，加(jia)熱焊件(jian)的熱量(liang)主要來(lai)源于陽極斑點，弧柱(zhu)輻射(she)熱和傳導熱僅起輔(fu)助作用(yong)。在等(deng)離子弧焊中(zhong)，情(qing)況則有變化，弧柱(zhu)高速等(deng)離子體通(tong)過接觸傳導和輻射(she)帶給焊件(jian)的熱量(liang)明顯增加(jia)，甚至可能成為主要的熱量(liang)來(lai)源，而陽極熱則降為次要地位。

3. 等(deng)離(li)子弧的基本形式(shi)

 等離子弧(hu)按電源(yuan)的接法和產生形(xing)式的不同，可(ke)分為轉移型(xing)、非轉移型(xing)和聯合型(xing)3種基本形(xing)式，如(ru)圖5-14所示。

  a. 轉(zhuan)移(yi)型等離(li)子弧

  等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)是在電(dian)(dian)(dian)極(ji)和(he)工(gong)件(jian)之間燃(ran)(ran)燒，但(dan)由于(yu)(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)極(ji)內縮于(yu)(yu)(yu)等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)噴(pen)嘴(zui)(zui)內，難以(yi)直接(jie)形成等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)，所以(yi)必須先在電(dian)(dian)(dian)極(ji)和(he)水冷(leng)噴(pen)嘴(zui)(zui)之間引燃(ran)(ran)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)（水冷(leng)噴(pen)嘴(zui)(zui)既是電(dian)(dian)(dian)弧(hu)的(de)(de)一極(ji)，又起(qi)著冷(leng)壁拘束電(dian)(dian)(dian)弧(hu)的(de)(de)作用），再轉(zhuan)(zhuan)移為電(dian)(dian)(dian)弧(hu)在電(dian)(dian)(dian)極(ji)與工(gong)件(jian)之間燃(ran)(ran)燒。這種(zhong)借助于(yu)(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)極(ji)與水冷(leng)噴(pen)嘴(zui)(zui)再轉(zhuan)(zhuan)移為電(dian)(dian)(dian)極(ji)與工(gong)件(jian)之間的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)稱為轉(zhuan)(zhuan)移弧(hu)（圖5-14a).由于(yu)(yu)(yu)轉(zhuan)(zhuan)移型等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)的(de)(de)陽(yang)極(ji)斑點處于(yu)(yu)(yu)工(gong)件(jian)上(shang)，直接(jie)加熱(re)工(gong)件(jian)，使電(dian)(dian)(dian)弧(hu)熱(re)量的(de)(de)有效(xiao)利用率提高，同時(shi)轉(zhuan)(zhuan)移型等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)具(ju)有很高的(de)(de)動能和(he)沖擊力(li)，特別適(shi)合于(yu)(yu)(yu)焊接(jie)。

  b. 非轉移型等離子(zi)弧

  電(dian)(dian)(dian)源接于電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)噴(pen)嘴(zui)之間，工件不接入焊接回路，鎢極(ji)(ji)為(wei)陰極(ji)(ji)，噴(pen)嘴(zui)為(wei)陽極(ji)(ji)，等離子(zi)弧在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)水冷噴(pen)嘴(zui)之間引燃電(dian)(dian)(dian)弧（水冷噴(pen)嘴(zui)既是電(dian)(dian)(dian)弧的(de)一極(ji)(ji)，又起著冷壁拘束(shu)電(dian)(dian)(dian)弧的(de)作用）噴(pen)出，形成的(de)等離子(zi)弧稱(cheng)為(wei)非轉移型(xing)等離子(zi)弧，又叫等離子(zi)焰，見圖5-14b。

  因(yin)為非(fei)轉移型(xing)等(deng)離子弧(hu)對工件的加熱是間接(jie)的，傳(chuan)到工件上(shang)的熱量較少，只適(shi)用(yong)于焊接(jie)薄板和等(deng)離子噴涂，這里就不(bu)再詳(xiang)細介紹。

 c. 聯合型等離子弧

 轉(zhuan)移型等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)和非轉(zhuan)移型等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)同時存在的等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)，稱(cheng)為聯合型等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)，如(ru)圖5-14c所(suo)示(shi)。這(zhe)種(zhong)等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)焊(han)很(hen)少(shao)采用，這(zhe)里就不再詳細介紹。

二、等離子弧焊(han)設備

1. 焊接(jie)電(dian)源

具有下降或垂直(zhi)(zhi)陡降特性的(de)直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)電(dian)源（與鎢極氬弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)焊(han)的(de)電(dian)源相同）都(dou)可(ke)供(gong)等離(li)(li)(li)子弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)焊(han)使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)。用(yong)(yong)(yong)純氬氣(qi)(qi)做(zuo)離(li)(li)(li)子氣(qi)(qi)時，電(dian)源空載電(dian)壓(ya)只需(xu)(xu)65V~80V;用(yong)(yong)(yong)氬＋氫混(hun)合(he)氣(qi)(qi)做(zuo)離(li)(li)(li)子氣(qi)(qi)時，電(dian)源空載電(dian)壓(ya)需(xu)(xu)110V~120V.若無(wu)合(he)適(shi)的(de)專用(yong)(yong)(yong)電(dian)源，可(ke)用(yong)(yong)(yong)兩臺普通直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)焊(han)電(dian)源串聯(lian)使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)。大(da)電(dian)流(liu)(liu)等離(li)(li)(li)子弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)焊(han)都(dou)采(cai)用(yong)(yong)(yong)轉移(yi)(yi)型弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)，用(yong)(yong)(yong)高頻引(yin)燃非轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)，然后轉移(yi)(yi)成轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)。因此，一(yi)般可(ke)以采(cai)用(yong)(yong)(yong)一(yi)臺焊(han)接電(dian)源，用(yong)(yong)(yong)串接電(dian)阻的(de)方法向(xiang)電(dian)極和水冷噴(pen)嘴(zui)回路提供(gong)產生非轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)所需(xu)(xu)要的(de)較低(di)電(dian)流(liu)(liu)，見圖(tu)5-14a。

2. 引弧裝置

 等(deng)離子弧焊的引(yin)弧裝置與鎢極氬弧焊的引(yin)弧裝置基本相(xiang)同。

3. 控制系統

使(shi)用兩套電(dian)(dian)源(yuan)時(shi)，需能分(fen)別調(diao)節(jie)非轉移(yi)弧(hu)(hu)和轉移(yi)弧(hu)(hu)的電(dian)(dian)流，其余與鎢極氬弧(hu)(hu)焊類似。遇復雜(za)情況，還(huan)需能控制離子氣的遞(di)增和衰減。

4. 氣路和水路

 等離(li)子弧焊供氣(qi)(qi)系(xi)統(tong)的(de)氣(qi)(qi)路要(yao)(yao)比(bi)鎢極氬弧焊復雜(za)，見圖5-15。等離(li)子弧焊如(ru)采用混氫混合(he)氣(qi)(qi)體時，必須保證供氣(qi)(qi)系(xi)統(tong)中不(bu)能漏氣(qi)(qi)，否則(ze)會有引起爆炸的(de)危(wei)險。在(zai)供氣(qi)(qi)系(xi)統(tong)中，要(yao)(yao)有氣(qi)(qi)流(liu)匯流(liu)裝(zhuang)置進(jin)行(xing)均流(liu)，均勻地(di)將(jiang)氣(qi)(qi)分配給各路氣(qi)(qi)路；還要(yao)(yao)有貯氣(qi)(qi)筒，對離(li)子氣(qi)(qi)進(jin)行(xing)緩沖。衰減(jian)氣(qi)(qi)閥(fa)對結束焊接時的(de)氣(qi)(qi)流(liu)進(jin)行(xing)衰減(jian)。

 等離子弧(hu)焊的水路與(yu)鎢極氬弧(hu)焊的水路相同(tong)。

5. 焊(han)槍

 等離(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)焊(han)槍要比鎢極氬焊(han)焊(han)槍復雜、精密得多，其中最主要的(de)部(bu)件是離(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)噴嘴和保(bao)證鎢極與等離(li)子(zi)(zi)(zi)噴嘴同心的(de)裝(zhuang)置。某型號(hao)300A等離(li)子(zi)(zi)(zi)弧(hu)焊(han)槍結構見圖(tu)5-16。

三、等離子弧焊槍的噴嘴(zui)

 等離子(zi)弧焊槍(qiang)的(de)噴嘴(zui)是產生等離子(zi)弧的(de)關鍵(jian)部件(jian)，它(ta)的(de)設計是否合(he)理(li)，對保證等離子(zi)弧的(de)穩定(ding)(ding)、正(zheng)常工作(zuo)以(yi)及焊接質量具有決定(ding)(ding)性作(zuo)用。

1. 噴嘴的主要結構參數（圖(tu)5-17)

  a. 噴嘴孔徑d

   噴(pen)嘴孔(kong)(kong)(kong)徑(jing)d,它決定等離子(zi)弧直徑(jing)的(de)(de)大小。噴(pen)嘴孔(kong)(kong)(kong)徑(jing)d決定了應使(shi)用的(de)(de)焊(han)接(jie)電流(liu)(liu)和(he)離子(zi)氣流(liu)(liu)量(liang)，也(ye)可以依據焊(han)接(jie)電流(liu)(liu)和(he)離子(zi)氣流(liu)(liu)量(liang)先(xian)擇噴(pen)嘴孔(kong)(kong)(kong)徑(jing)d的(de)(de)大小。總之，d越大則(ze)壓縮作(zuo)用越小，當d過(guo)于大對則(ze)無(wu)壓縮效果；而(er)d過(guo)小時，則(ze)會(hui)引(yin)起(qi)雙弧（圖5-47),破壞了等離子(zi)弧的(de)(de)穩定性。因此(ci)，對于給定的(de)(de)d值，有一個(ge)合理的(de)(de)焊(han)接(jie)電流(liu)(liu)使(shi)用范圍。表5-2列出(chu)了常用的(de)(de)某型號噴(pen)嘴孔(kong)(kong)(kong)徑(jing)d及(ji)其焊(han)接(jie)電流(liu)(liu)的(de)(de)使(shi)用范圍，供參考。

  b. 噴嘴孔長度L

 當噴嘴孔(kong)(kong)徑(jing)d給(gei)定(ding)時(shi)，噴嘴孔(kong)(kong)長度（深度）L的增加，則壓(ya)縮作用加強。常以L/d表(biao)(biao)示噴嘴孔(kong)(kong)道壓(ya)縮特征，稱之為孔(kong)(kong)道比（表(biao)(biao)5-3).

  c. 錐角 α

   錐(zhui)角α又稱(cheng)壓縮角，實際上(shang)它(ta)對(dui)等離(li)子弧(hu)(hu)壓縮狀態影響不大，特別是當離(li)子氣(qi)流量較(jiao)小(xiao)，L/d較(jiao)小(xiao)時(shi)(shi)。但(dan)壓縮角小(xiao)時(shi)(shi)，能增強(qiang)對(dui)電弧(hu)(hu)的(de)壓縮作用(yong)。一(yi)般應注意和鎢極(ji)(ji)端部形狀相配合(he)，以利于(yu)(yu)陰極(ji)(ji)斑(ban)點置于(yu)(yu)鎢極(ji)(ji)頂端而不上(shang)漂(piao)。常用(yong)的(de)壓縮角α值為60°~75°。

 d. 壓縮(suo)通道的形狀(zhuang)

 多數噴嘴采用圓柱(zhu)(zhu)形(xing)(xing)壓縮(suo)通道，但(dan)也有采用圓錐形(xing)(xing)、臺階圓柱(zhu)(zhu)形(xing)(xing)等擴(kuo)散(san)型噴嘴。這類噴嘴降低(di)了壓縮(suo)程度，有利于(yu)提高等離子弧(hu)的穩定(ding)性和(he)噴嘴使用壽命(ming)。擴(kuo)散(san)型噴嘴結構見圖5-18。

 除了單(dan)孔型(xing)（圖(tu)5-17a)噴(pen)(pen)嘴(zui)外，還(huan)有多(duo)孔型(xing)噴(pen)(pen)嘴(zui)。例如(ru)，兩側帶有2個(ge)輔助小(xiao)孔的(de)焊(han)接噴(pen)(pen)嘴(zui)（圖(tu)5-17b),可使等離(li)子(zi)弧的(de)橫(heng)截面(mian)由圓(yuan)形變為橢圓(yuan)形，使熱源有效功率密度提高(gao)，有利(li)于(yu)進(jin)一步提高(gao)焊(han)速和減小(xiao)焊(han)縫及熱影響區寬(kuan)度。四周(zhou)帶有多(duo)個(ge)小(xiao)孔的(de)噴(pen)(pen)嘴(zui)（圖(tu)5-17c)可使等離(li)子(zi)弧在噴(pen)(pen)嘴(zui)外得(de)(de)到二次(ci)壓縮，用于(yu)切(qie)割(ge)，有利(li)于(yu)進(jin)一步提高(gao)等離(li)子(zi)弧挺度及切(qie)口(kou)質量；但過多(duo)的(de)小(xiao)孔易受金屬(shu)飛濺物堵塞而(er)失去其有利(li)作(zuo)用并(bing)造成(cheng)不利(li)的(de)等離(li)子(zi)弧偏轉，因(yin)此(ci)并(bing)未得(de)(de)到廣(guang)泛應用。

2. 噴嘴的材料和冷卻

等離子弧(hu)焊的(de)噴嘴應采用(yong)(yong)(yong)(yong)導(dao)熱性良好的(de)紫銅制成，大(da)功(gong)率（電流）噴嘴還(huan)必須采用(yong)(yong)(yong)(yong)直(zhi)(zhi)接水(shui)(shui)冷(leng)，并(bing)保證(zheng)冷(leng)卻水(shui)(shui)有足夠的(de)流量和(he)壓力，最好配備專用(yong)(yong)(yong)(yong)高壓冷(leng)卻裝(zhuang)置。大(da)功(gong)率等離子弧(hu)焊槍應采用(yong)(yong)(yong)(yong)循環(huan)的(de)高壓蒸餾水(shui)(shui)直(zhi)(zhi)接冷(leng)卻槍體，冷(leng)卻水(shui)(shui)再經熱交換器散熱后循環(huan)使(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)。為(wei)了(le)提高冷(leng)卻效果，噴嘴的(de)壁(bi)厚一(yi)般在2mm~2.5mm之間。