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、等離子弧的特性
1. 靜態特性(xing)
等離子(zi)弧的(de)靜(jing)態特性仍然(ran)呈U型曲線(xian)，但具有(you)以下特點：
a. 由于冷(leng)壁噴嘴的拘束作(zuo)用(yong)使弧柱橫截面積受(shou)到(dao)限制，弧柱電(dian)場(chang)強度增(zeng)大，電(dian)弧電(dian)壓(ya)明顯提高(gao)，U型特性(xing)的平直(zhi)區較(jiao)自(zi)由電(dian)弧明顯縮小。
b. 拘束孔道(dao)的尺寸(cun)和(he)形狀對靜特性(xing)有明顯的影響(xiang)，噴(pen)嘴孔徑(jing)越小，U型(xing)特性(xing)平直(zhi)區域就越小，上升段斜率增大(da)，即弧柱電場強度增大(da)。
c. 離子(zi)(zi)氣(qi)的種類(lei)和流(liu)量不同(tong)時，弧柱的電(dian)(dian)(dian)場強度將有明(ming)顯變(bian)化。因此，用(yong)于等離子(zi)(zi)弧焊的電(dian)(dian)(dian)源空載電(dian)(dian)(dian)壓應按所(suo)用(yong)等離子(zi)(zi)氣(qi)種類(lei)而(er)定。
d. 如果采用聯合(he)型(xing)等(deng)離子(zi)弧(hu)，轉(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)U型(xing)特(te)性下降(jiang)區(qu)段斜(xie)率明(ming)顯減小，這是由于非(fei)轉(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)的存在為轉(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)提(ti)供了導電通路之故。因(yin)此小電流(liu)微(wei)束(shu)等(deng)離子(zi)弧(hu)常采用混(hun)合(he)型(xing)弧(hu)，以提(ti)高其穩定性。
2. 熱(re)源(yuan)特性
a. 溫度和能量(liang)密度
等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)的(de)弧(hu)柱(zhu)溫度(du)高，能量密度(du)大。從(cong)圖(tu)5-9和(he)圖(tu)5-10可(ke)(ke)以看出，等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)對焊件加熱集中，熔透力強(qiang)，焊接(jie)時速(su)度(du)要比氬弧(hu)焊快得多，從(cong)而可(ke)(ke)提高焊接(jie)生產效率。普通鎢極氬弧(hu)的(de)最(zui)高溫度(du)為10000K~24000K,能量密度(du)小于(yu)10kW/c㎡;而等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)的(de)溫度(du)可(ke)(ke)高達24000K~50000K,能量密度(du)可(ke)(ke)達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此，等離(li)子弧(hu)焊的(de)焊縫截面形狀較窄，深寬比(bi)大，無疑(yi)焊件(jian)變形就小。等離(li)子弧(hu)焊和(he)鎢極氬弧(hu)焊深寬比(bi)比(bi)較見圖(tu)5-11。
等離子(zi)弧溫度和能量密(mi)度高的原(yuan)因(yin)是：
①. 水冷(leng)噴(pen)嘴孔徑限定了弧柱橫(heng)截面積不能自由擴(kuo)大，這種拘束作(zuo)用(yong)稱(cheng)為機械壓縮作(zuo)用(yong)。
②. 噴(pen)嘴水冷(leng)作(zuo)(zuo)用使靠近噴(pen)嘴內壁的(de)(de)(de)氣體也受到(dao)強烈的(de)(de)(de)冷(leng)卻作(zuo)(zuo)用，并且溫(wen)度(du)(du)(du)(du)和(he)電(dian)(dian)離度(du)(du)(du)(du)均迅(xun)速下降，迫(po)使弧(hu)柱區電(dian)(dian)流(liu)集中(zhong)到(dao)弧(hu)柱中(zhong)心的(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)高(gao)電(dian)(dian)離度(du)(du)(du)(du)區。這樣由(you)于冷(leng)壁而(er)(er)在弧(hu)柱四周產生(sheng)一(yi)(yi)層電(dian)(dian)離度(du)(du)(du)(du)趨近于零(ling)的(de)(de)(de)冷(leng)氣膜，從而(er)(er)使弧(hu)柱有效(xiao)橫截面進一(yi)(yi)步(bu)減小，電(dian)(dian)流(liu)密度(du)(du)(du)(du)進一(yi)(yi)步(bu)提高(gao)。這種使弧(hu)柱溫(wen)度(du)(du)(du)(du)和(he)能量密度(du)(du)(du)(du)提高(gao)的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用通常又(you)稱(cheng)為熱(re)收縮效(xiao)應(ying)。
③. 由于以上兩個收縮(suo)效應(ying)的(de)存在，弧(hu)(hu)柱(zhu)電流(liu)密度增大以后(hou)，弧(hu)(hu)柱(zhu)電流(liu)線之間的(de)電磁收縮(suo)作用也(ye)進(jin)一步增強(qiang)，致(zhi)使弧(hu)(hu)柱(zhu)溫度和能量密度進(jin)一步提(ti)高。以上3個因素中，噴(pen)嘴機械拘(ju)束(shu)是前提(ti)條(tiao)件，而(er)熱收縮(suo)則(ze)是最本(ben)質的(de)原因。
等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)溫度(du)和能(neng)量密度(du)的顯著(zhu)提高，弧(hu)(hu)柱近似(si)于圓(yuan)柱形，使等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)的穩定(ding)性和挺直度(du)變得(de)更好。自(zi)由電弧(hu)(hu)（如鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)焊）的擴散角約為(wei)45°,等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)擴散角約為(wei)5°(圖5-12),這(zhe)是因為(wei)壓縮后從噴嘴口噴射出的等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)帶(dai)電質點(dian)運動速度(du)明(ming)顯提高所致，速度(du)最高可達300m/s(跟(gen)噴嘴結(jie)構、離(li)子(zi)(zi)氣種(zhong)類(lei)和流量有關）。
圖5-13是等(deng)離(li)子弧焊(han)和(he)鎢極氬弧焊(han)時(shi)(shi)(shi)，弧長波動時(shi)(shi)(shi)對焊(han)縫熔(rong)深的影(ying)(ying)響。當等(deng)離(li)子弧長（實際上是噴(pen)嘴端(duan)面到(dao)焊(han)件表面的距(ju)離(li)）從3mm增(zeng)大(da)到(dao)8mm時(shi)(shi)(shi)，對焊(han)縫熔(rong)深幾乎不產(chan)生影(ying)(ying)響；而(er)鎢極氬弧孤長從1.5mm增(zeng)大(da)到(dao)2.5mm時(shi)(shi)(shi)，焊(han)縫的熔(rong)深就明(ming)顯下降。
b. 熱源成分
普(pu)通(tong)鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)焊中，加(jia)熱(re)(re)焊件的熱(re)(re)量主要來源(yuan)于陽(yang)極(ji)斑(ban)點(dian)，弧(hu)(hu)柱輻射熱(re)(re)和傳導熱(re)(re)僅起輔助作(zuo)用(yong)。在(zai)等離(li)子弧(hu)(hu)焊中，情況則(ze)(ze)有變化(hua)，弧(hu)(hu)柱高速(su)等離(li)子體通(tong)過接觸傳導和輻射帶(dai)給焊件的熱(re)(re)量明顯增加(jia)，甚至(zhi)可(ke)能成為主要的熱(re)(re)量來源(yuan)，而陽(yang)極(ji)熱(re)(re)則(ze)(ze)降為次要地位(wei)。
3. 等離子弧的基(ji)本形式(shi)
等離子(zi)弧按電源的接(jie)法和(he)產生形(xing)式的不同，可(ke)分(fen)為轉(zhuan)移型、非(fei)轉(zhuan)移型和(he)聯(lian)合型3種基本(ben)形(xing)式，如(ru)圖5-14所示(shi)。
a. 轉移型等離子弧
等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)是在電(dian)極(ji)(ji)(ji)和(he)(he)工(gong)(gong)(gong)件(jian)之間(jian)燃(ran)燒，但(dan)由(you)于(yu)(yu)電(dian)極(ji)(ji)(ji)內縮于(yu)(yu)等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)噴(pen)嘴內，難(nan)以直(zhi)接形成等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)，所以必(bi)須先在電(dian)極(ji)(ji)(ji)和(he)(he)水(shui)冷噴(pen)嘴之間(jian)引燃(ran)電(dian)弧(hu)(hu)(hu)（水(shui)冷噴(pen)嘴既是電(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)一極(ji)(ji)(ji)，又起著冷壁拘束電(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)作(zuo)用(yong)），再轉移為(wei)電(dian)弧(hu)(hu)(hu)在電(dian)極(ji)(ji)(ji)與(yu)(yu)工(gong)(gong)(gong)件(jian)之間(jian)燃(ran)燒。這種(zhong)借助(zhu)于(yu)(yu)電(dian)極(ji)(ji)(ji)與(yu)(yu)水(shui)冷噴(pen)嘴再轉移為(wei)電(dian)極(ji)(ji)(ji)與(yu)(yu)工(gong)(gong)(gong)件(jian)之間(jian)的(de)(de)電(dian)弧(hu)(hu)(hu)稱為(wei)轉移弧(hu)(hu)(hu)（圖5-14a).由(you)于(yu)(yu)轉移型等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)的(de)(de)陽(yang)極(ji)(ji)(ji)斑點處于(yu)(yu)工(gong)(gong)(gong)件(jian)上，直(zhi)接加(jia)熱工(gong)(gong)(gong)件(jian)，使電(dian)弧(hu)(hu)(hu)熱量的(de)(de)有效利(li)用(yong)率提高，同時(shi)轉移型等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)具有很高的(de)(de)動能(neng)和(he)(he)沖擊力，特別適合于(yu)(yu)焊接。
b. 非轉移型等離子弧
電源接于電極和(he)噴(pen)(pen)嘴(zui)之間(jian)，工件不(bu)接入焊接回路，鎢極為陰極，噴(pen)(pen)嘴(zui)為陽極，等離(li)子(zi)弧(hu)在(zai)電極和(he)水冷(leng)噴(pen)(pen)嘴(zui)之間(jian)引(yin)燃電弧(hu)（水冷(leng)噴(pen)(pen)嘴(zui)既是電弧(hu)的(de)一極，又(you)起(qi)著冷(leng)壁拘束電弧(hu)的(de)作(zuo)用）噴(pen)(pen)出，形成的(de)等離(li)子(zi)弧(hu)稱為非轉移型等離(li)子(zi)弧(hu)，又(you)叫(jiao)等離(li)子(zi)焰(yan)，見圖5-14b。
因為非轉移型等離子(zi)弧對工(gong)件的加熱(re)是間接的，傳(chuan)到工(gong)件上的熱(re)量較少，只適用(yong)于焊(han)接薄板和等離子(zi)噴涂，這里(li)就不再(zai)詳細介(jie)紹。
c. 聯(lian)合型等離子弧
轉移型等離(li)子弧和非轉移型等離(li)子弧同時存在的等離(li)子弧，稱為聯合(he)型等離(li)子弧，如圖5-14c所示。這種(zhong)等離(li)子弧焊很少采用(yong)，這里就(jiu)不再詳細介紹。
二、等離子弧焊設備
1. 焊(han)接(jie)電源
具有(you)下(xia)降或垂直(zhi)陡降特性的(de)直(zhi)流電(dian)(dian)源(yuan)（與鎢(wu)極氬弧焊的(de)電(dian)(dian)源(yuan)相同）都可(ke)供等離(li)(li)子(zi)弧焊使用(yong)(yong)。用(yong)(yong)純氬氣做(zuo)離(li)(li)子(zi)氣時(shi)，電(dian)(dian)源(yuan)空(kong)載電(dian)(dian)壓(ya)只需65V~80V;用(yong)(yong)氬＋氫混合氣做(zuo)離(li)(li)子(zi)氣時(shi)，電(dian)(dian)源(yuan)空(kong)載電(dian)(dian)壓(ya)需110V~120V.若無合適的(de)專(zhuan)用(yong)(yong)電(dian)(dian)源(yuan)，可(ke)用(yong)(yong)兩(liang)臺普通直(zhi)流弧焊電(dian)(dian)源(yuan)串(chuan)聯使用(yong)(yong)。大電(dian)(dian)流等離(li)(li)子(zi)弧焊都采用(yong)(yong)轉(zhuan)(zhuan)移型弧，用(yong)(yong)高頻引燃非轉(zhuan)(zhuan)移弧，然后轉(zhuan)(zhuan)移成轉(zhuan)(zhuan)移弧。因此，一(yi)般(ban)可(ke)以(yi)采用(yong)(yong)一(yi)臺焊接電(dian)(dian)源(yuan)，用(yong)(yong)串(chuan)接電(dian)(dian)阻(zu)的(de)方法向(xiang)電(dian)(dian)極和(he)水(shui)冷噴(pen)嘴回路提供產生非轉(zhuan)(zhuan)移弧所(suo)需要的(de)較低電(dian)(dian)流，見圖5-14a。
2. 引弧裝置
等離(li)子弧焊的(de)(de)引(yin)弧裝(zhuang)置與(yu)鎢(wu)極氬(ya)弧焊的(de)(de)引(yin)弧裝(zhuang)置基本相同(tong)。
3. 控制系統
使用兩套(tao)電源時，需(xu)能分別(bie)調節非轉移弧和轉移弧的(de)電流，其余與鎢極氬弧焊類似。遇復雜情況，還需(xu)能控制離子氣的(de)遞增和衰減。
4. 氣(qi)路和水(shui)路
等離(li)子(zi)(zi)弧焊供氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系統(tong)的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)路要(yao)比鎢極(ji)氬弧焊復雜，見(jian)圖5-15。等離(li)子(zi)(zi)弧焊如采用混氫(qing)混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體時(shi)，必須保證供氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系統(tong)中不能漏氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，否則會(hui)有引起爆炸的(de)危(wei)險(xian)。在供氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系統(tong)中，要(yao)有氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)流(liu)匯流(liu)裝置進行均流(liu)，均勻地將氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)分配給各(ge)路氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)路；還要(yao)有貯氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)筒，對離(li)子(zi)(zi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)進行緩(huan)沖。衰減氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)閥(fa)對結束焊接時(shi)的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)流(liu)進行衰減。
等離子弧(hu)焊(han)(han)的(de)水路與(yu)鎢極氬弧(hu)焊(han)(han)的(de)水路相同。
5. 焊(han)槍(qiang)
等(deng)離子弧焊(han)槍(qiang)(qiang)要(yao)比鎢極氬焊(han)焊(han)槍(qiang)(qiang)復雜、精密得多，其中最主(zhu)要(yao)的部件是離子弧噴嘴和保證鎢極與(yu)等(deng)離子噴嘴同心的裝置。某型號300A等(deng)離子弧焊(han)槍(qiang)(qiang)結構見圖5-16。
三、等離子弧焊槍的噴嘴(zui)
等離(li)子弧焊槍的(de)(de)噴嘴是產生等離(li)子弧的(de)(de)關鍵部件，它的(de)(de)設計是否合理，對(dui)保證等離(li)子弧的(de)(de)穩定、正(zheng)常(chang)工作以(yi)及焊接質量(liang)具有決定性作用。
1. 噴嘴的主要結構(gou)參數(shu)（圖(tu)5-17)
a. 噴嘴孔徑d
噴嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d,它決(jue)定等(deng)離子(zi)弧(hu)直徑(jing)(jing)的(de)(de)(de)大(da)(da)小。噴嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d決(jue)定了(le)(le)應使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)焊(han)接(jie)電流(liu)和離子(zi)氣(qi)流(liu)量，也可(ke)以依(yi)據焊(han)接(jie)電流(liu)和離子(zi)氣(qi)流(liu)量先擇噴嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d的(de)(de)(de)大(da)(da)小。總之(zhi)，d越大(da)(da)則壓縮作(zuo)用(yong)(yong)越小，當d過于(yu)(yu)大(da)(da)對則無(wu)壓縮效果；而d過小時，則會引起雙(shuang)弧(hu)（圖5-47),破(po)壞了(le)(le)等(deng)離子(zi)弧(hu)的(de)(de)(de)穩定性(xing)。因(yin)此，對于(yu)(yu)給定的(de)(de)(de)d值，有一個合理的(de)(de)(de)焊(han)接(jie)電流(liu)使用(yong)(yong)范圍。表5-2列(lie)出了(le)(le)常(chang)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)某(mou)型(xing)號噴嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d及其焊(han)接(jie)電流(liu)的(de)(de)(de)使用(yong)(yong)范圍，供參考。
b. 噴嘴孔長度L
當噴嘴(zui)孔(kong)徑d給定(ding)時，噴嘴(zui)孔(kong)長度（深度）L的(de)增(zeng)加(jia)，則(ze)壓縮作用加(jia)強。常以L/d表示噴嘴(zui)孔(kong)道壓縮特征，稱(cheng)之(zhi)為孔(kong)道比（表5-3).
c. 錐角 α
錐角(jiao)(jiao)α又稱(cheng)壓縮角(jiao)(jiao)，實際上它對等離(li)子(zi)弧壓縮狀態影響不大，特別是(shi)當離(li)子(zi)氣流量較小(xiao)，L/d較小(xiao)時。但壓縮角(jiao)(jiao)小(xiao)時，能增強對電弧的壓縮作(zuo)用(yong)。一般應注意和(he)鎢極端部(bu)形狀相(xiang)配合，以利于陰極斑點置于鎢極頂端而不上漂。常(chang)用(yong)的壓縮角(jiao)(jiao)α值為60°~75°。
d. 壓縮通道的形狀
多數(shu)噴(pen)嘴(zui)采用圓(yuan)柱(zhu)形壓縮通道，但也有采用圓(yuan)錐形、臺階圓(yuan)柱(zhu)形等擴(kuo)散型(xing)噴(pen)嘴(zui)。這(zhe)類噴(pen)嘴(zui)降低了壓縮程度，有利于提高等離子弧的穩定性和噴(pen)嘴(zui)使用壽命。擴(kuo)散型(xing)噴(pen)嘴(zui)結構(gou)見圖5-18。
除(chu)了單孔型（圖5-17a)噴(pen)(pen)嘴外(wai)，還有多(duo)孔型噴(pen)(pen)嘴。例如，兩側帶有2個(ge)輔助小(xiao)(xiao)孔的焊(han)接噴(pen)(pen)嘴（圖5-17b),可使(shi)等(deng)離子(zi)弧(hu)的橫截面由圓形變為橢圓形，使(shi)熱源有效功(gong)率(lv)密度提(ti)高(gao)，有利于進(jin)一步(bu)提(ti)高(gao)焊(han)速和減小(xiao)(xiao)焊(han)縫及(ji)熱影響區寬度。四周(zhou)帶有多(duo)個(ge)小(xiao)(xiao)孔的噴(pen)(pen)嘴（圖5-17c)可使(shi)等(deng)離子(zi)弧(hu)在噴(pen)(pen)嘴外(wai)得到二次壓縮，用(yong)于切(qie)割，有利于進(jin)一步(bu)提(ti)高(gao)等(deng)離子(zi)弧(hu)挺度及(ji)切(qie)口質量；但過多(duo)的小(xiao)(xiao)孔易(yi)受金屬飛濺物堵塞而失去其有利作用(yong)并造成不利的等(deng)離子(zi)弧(hu)偏轉，因此并未(wei)得到廣泛應用(yong)。
2. 噴嘴的材料和冷卻
等離子弧焊的(de)噴(pen)嘴應采(cai)用(yong)導熱性(xing)良好的(de)紫銅制成，大(da)功(gong)率（電流）噴(pen)嘴還必須采(cai)用(yong)直(zhi)接(jie)水冷(leng)，并保證(zheng)冷(leng)卻(que)水有足夠的(de)流量和(he)壓(ya)力(li)，最好配備專用(yong)高(gao)壓(ya)冷(leng)卻(que)裝置(zhi)。大(da)功(gong)率等離子弧焊槍應采(cai)用(yong)循環的(de)高(gao)壓(ya)蒸(zheng)餾水直(zhi)接(jie)冷(leng)卻(que)槍體，冷(leng)卻(que)水再(zai)經熱交換器(qi)散熱后循環使用(yong)。為了提(ti)高(gao)冷(leng)卻(que)效果，噴(pen)嘴的(de)壁(bi)厚(hou)一般在2mm~2.5mm之間(jian)。
