等(deng)離子弧焊通常由用 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. 靜態特性
等離(li)子弧(hu)的(de)靜(jing)態特性仍然呈U型曲線，但具有(you)以下(xia)特點(dian)：
a. 由于(yu)冷壁噴嘴的拘束(shu)作(zuo)用使弧柱橫截面(mian)積受到限(xian)制，弧柱電(dian)場強度增大，電(dian)弧電(dian)壓明(ming)顯提高，U型特性的平直區較(jiao)自由電(dian)弧明(ming)顯縮小。
b. 拘(ju)束孔道的尺寸和形狀對靜特性有(you)明顯(xian)的影響，噴嘴孔徑(jing)越小，U型特性平直區域就(jiu)越小，上升(sheng)段斜(xie)率增(zeng)大，即(ji)弧(hu)柱電場強度增(zeng)大。
c. 離子氣的(de)種類和流量(liang)不同時(shi)，弧(hu)柱的(de)電場強度(du)將有(you)明顯變化。因此(ci)，用于等(deng)離子弧(hu)焊的(de)電源空載電壓應(ying)按(an)所用等(deng)離子氣種類而定。
d. 如果采用聯合(he)型(xing)等(deng)離子弧(hu)，轉(zhuan)移(yi)弧(hu)U型(xing)特性下降(jiang)區(qu)段(duan)斜率明顯減小，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)導電通路(lu)之故。因此小電流(liu)微束等(deng)離子弧(hu)常采用混合(he)型(xing)弧(hu)，以(yi)提高其穩定性。
2. 熱源(yuan)特性(xing)
a. 溫度和能量密(mi)度
等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)的弧(hu)(hu)(hu)柱溫度(du)高(gao)，能量(liang)密度(du)大(da)。從圖5-9和圖5-10可以看出，等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)對焊件加熱集中(zhong)，熔透力強(qiang)，焊接時速度(du)要比(bi)氬弧(hu)(hu)(hu)焊快得多(duo)，從而(er)可提高(gao)焊接生產效率。普通鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)(hu)的最高(gao)溫度(du)為10000K~24000K,能量(liang)密度(du)小于10kW/c㎡;而(er)等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)的溫度(du)可高(gao)達(da)24000K~50000K,能量(liang)密度(du)可達(da)100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此，等離子弧(hu)焊的焊縫截面(mian)形狀較(jiao)窄，深(shen)(shen)寬(kuan)比(bi)大，無(wu)疑焊件變形就小。等離子弧(hu)焊和鎢極氬弧(hu)焊深(shen)(shen)寬(kuan)比(bi)比(bi)較(jiao)見(jian)圖5-11。
等(deng)離子弧(hu)溫度和能量密度高(gao)的原因是：
①. 水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴孔(kong)徑(jing)限定了弧(hu)柱(zhu)橫截面積不能自(zi)由擴(kuo)大，這種拘(ju)束(shu)作(zuo)用稱(cheng)為機械壓縮作(zuo)用。
②. 噴(pen)嘴(zui)(zui)水冷作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)使(shi)靠近(jin)噴(pen)嘴(zui)(zui)內(nei)壁的(de)氣體也受到強烈的(de)冷卻作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)，并且溫度(du)(du)(du)和電(dian)離度(du)(du)(du)均迅速(su)下降，迫(po)使(shi)弧(hu)柱區電(dian)流(liu)集中(zhong)(zhong)到弧(hu)柱中(zhong)(zhong)心的(de)高(gao)溫高(gao)電(dian)離度(du)(du)(du)區。這(zhe)樣(yang)由于(yu)冷壁而在(zai)弧(hu)柱四(si)周產生一層電(dian)離度(du)(du)(du)趨近(jin)于(yu)零的(de)冷氣膜，從(cong)而使(shi)弧(hu)柱有效橫(heng)截面(mian)進(jin)一步(bu)減(jian)小(xiao)，電(dian)流(liu)密(mi)度(du)(du)(du)進(jin)一步(bu)提高(gao)。這(zhe)種(zhong)使(shi)弧(hu)柱溫度(du)(du)(du)和能(neng)量密(mi)度(du)(du)(du)提高(gao)的(de)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)通(tong)常又稱為熱收(shou)縮效應(ying)。
③. 由于以上兩(liang)個收(shou)縮效應的(de)存在，弧(hu)柱(zhu)電(dian)流密(mi)度(du)(du)增大以后(hou)，弧(hu)柱(zhu)電(dian)流線之(zhi)間的(de)電(dian)磁收(shou)縮作用也進一步(bu)增強，致使弧(hu)柱(zhu)溫(wen)度(du)(du)和能量(liang)密(mi)度(du)(du)進一步(bu)提高。以上3個因素(su)中，噴嘴機(ji)械拘(ju)束是前(qian)提條件，而熱收(shou)縮則是最本質的(de)原(yuan)因。
等離子(zi)(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)溫度和(he)(he)能量密度的(de)顯著提高(gao)，弧(hu)(hu)(hu)柱近(jin)似于(yu)圓柱形，使等離子(zi)(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)的(de)穩定(ding)性和(he)(he)挺直度變(bian)得更好。自由電(dian)弧(hu)(hu)(hu)（如(ru)鎢極氬弧(hu)(hu)(hu)焊）的(de)擴(kuo)散角約為(wei)45°,等離子(zi)(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)擴(kuo)散角約為(wei)5°(圖5-12),這是因為(wei)壓縮后從(cong)噴嘴口噴射出的(de)等離子(zi)(zi)(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)帶(dai)電(dian)質點運動速度明顯提高(gao)所(suo)致(zhi)，速度最高(gao)可達300m/s(跟噴嘴結構、離子(zi)(zi)(zi)(zi)氣種類和(he)(he)流(liu)量有關(guan)）。
圖5-13是等離(li)子弧(hu)(hu)(hu)焊(han)和鎢極氬弧(hu)(hu)(hu)焊(han)時(shi)，弧(hu)(hu)(hu)長波動時(shi)對焊(han)縫熔深的影響。當等離(li)子弧(hu)(hu)(hu)長（實際(ji)上是噴嘴端面到(dao)焊(han)件表面的距(ju)離(li)）從(cong)3mm增大到(dao)8mm時(shi)，對焊(han)縫熔深幾(ji)乎不產生影響；而鎢極氬弧(hu)(hu)(hu)孤長從(cong)1.5mm增大到(dao)2.5mm時(shi)，焊(han)縫的熔深就明顯(xian)下降。
b. 熱源成分
普通(tong)鎢極氬弧焊中，加熱(re)焊件的熱(re)量(liang)(liang)主(zhu)要來(lai)源于陽極斑點，弧柱輻射熱(re)和(he)(he)傳(chuan)導熱(re)僅起輔助作用。在等離(li)子(zi)弧焊中，情況則(ze)有變化，弧柱高速等離(li)子(zi)體通(tong)過(guo)接觸傳(chuan)導和(he)(he)輻射帶給焊件的熱(re)量(liang)(liang)明顯增(zeng)加，甚至可能成為主(zhu)要的熱(re)量(liang)(liang)來(lai)源，而陽極熱(re)則(ze)降為次要地位。
3. 等離(li)子弧的基本形(xing)式
等離子弧按電源的接(jie)法和產生形(xing)式(shi)的不同，可(ke)分為轉移型、非轉移型和聯合型3種(zhong)基(ji)本(ben)形(xing)式(shi)，如圖5-14所示。
a. 轉移型等離子(zi)弧
等離子弧(hu)是在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)和工件之間(jian)燃(ran)燒，但(dan)由于(yu)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)內縮于(yu)等離子弧(hu)噴嘴內，難以(yi)直接形成等離子弧(hu)，所以(yi)必須先(xian)在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)和水(shui)冷(leng)(leng)(leng)噴嘴之間(jian)引燃(ran)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)（水(shui)冷(leng)(leng)(leng)噴嘴既是電(dian)(dian)(dian)弧(hu)的(de)(de)一極(ji)(ji)(ji)，又起著冷(leng)(leng)(leng)壁拘束電(dian)(dian)(dian)弧(hu)的(de)(de)作用(yong)），再轉移為(wei)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)與(yu)工件之間(jian)燃(ran)燒。這種借助于(yu)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)與(yu)水(shui)冷(leng)(leng)(leng)噴嘴再轉移為(wei)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)與(yu)工件之間(jian)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)稱為(wei)轉移弧(hu)（圖5-14a).由于(yu)轉移型(xing)等離子弧(hu)的(de)(de)陽極(ji)(ji)(ji)斑(ban)點處于(yu)工件上，直接加熱(re)工件，使電(dian)(dian)(dian)弧(hu)熱(re)量的(de)(de)有效利用(yong)率提高，同時轉移型(xing)等離子弧(hu)具有很高的(de)(de)動(dong)能和沖擊力，特別適合于(yu)焊接。
b. 非轉移型等離子弧(hu)
電(dian)源接(jie)于(yu)電(dian)極(ji)和噴(pen)嘴之間，工件(jian)不接(jie)入焊接(jie)回(hui)路，鎢(wu)極(ji)為陰極(ji)，噴(pen)嘴為陽(yang)極(ji)，等(deng)(deng)離子弧(hu)(hu)在(zai)電(dian)極(ji)和水(shui)冷噴(pen)嘴之間引(yin)燃電(dian)弧(hu)(hu)（水(shui)冷噴(pen)嘴既是電(dian)弧(hu)(hu)的一極(ji)，又(you)起(qi)著冷壁(bi)拘束電(dian)弧(hu)(hu)的作用(yong)）噴(pen)出，形成的等(deng)(deng)離子弧(hu)(hu)稱為非轉移型(xing)等(deng)(deng)離子弧(hu)(hu)，又(you)叫(jiao)等(deng)(deng)離子焰，見圖5-14b。
因(yin)為(wei)非轉移型等離(li)子(zi)弧對工件(jian)的(de)加(jia)熱是間接(jie)的(de)，傳到工件(jian)上的(de)熱量較少，只適用于焊接(jie)薄板(ban)和等離(li)子(zi)噴涂(tu)，這里就不再(zai)詳(xiang)細介紹。
c. 聯合(he)型等離子弧
轉(zhuan)移型等(deng)離子弧(hu)(hu)和非轉(zhuan)移型等(deng)離子弧(hu)(hu)同時存在的等(deng)離子弧(hu)(hu)，稱為聯合型等(deng)離子弧(hu)(hu)，如圖5-14c所示。這種(zhong)等(deng)離子弧(hu)(hu)焊很少采用(yong)，這里就不再詳細(xi)介紹。
二、等離子弧焊(han)設備
1. 焊接電源(yuan)
具有下降或垂直(zhi)(zhi)(zhi)陡降特性的(de)(de)直(zhi)(zhi)(zhi)流電(dian)(dian)源(yuan)（與鎢(wu)極氬(ya)弧焊的(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)相同(tong)）都可供等離(li)子(zi)(zi)弧焊使用。用純(chun)氬(ya)氣(qi)做離(li)子(zi)(zi)氣(qi)時(shi)，電(dian)(dian)源(yuan)空載(zai)電(dian)(dian)壓只(zhi)需(xu)65V~80V;用氬(ya)＋氫混合氣(qi)做離(li)子(zi)(zi)氣(qi)時(shi)，電(dian)(dian)源(yuan)空載(zai)電(dian)(dian)壓需(xu)110V~120V.若無合適的(de)(de)專(zhuan)用電(dian)(dian)源(yuan)，可用兩臺(tai)普(pu)通直(zhi)(zhi)(zhi)流弧焊電(dian)(dian)源(yuan)串聯使用。大電(dian)(dian)流等離(li)子(zi)(zi)弧焊都采用轉(zhuan)移(yi)型(xing)弧，用高頻引燃非轉(zhuan)移(yi)弧，然后轉(zhuan)移(yi)成轉(zhuan)移(yi)弧。因此，一般可以(yi)采用一臺(tai)焊接電(dian)(dian)源(yuan)，用串接電(dian)(dian)阻的(de)(de)方法向電(dian)(dian)極和水冷噴嘴(zui)回路提供產生非轉(zhuan)移(yi)弧所需(xu)要(yao)的(de)(de)較低電(dian)(dian)流，見(jian)圖5-14a。
2. 引弧裝置
等離子弧(hu)(hu)焊的(de)(de)引(yin)弧(hu)(hu)裝(zhuang)置與鎢極氬弧(hu)(hu)焊的(de)(de)引(yin)弧(hu)(hu)裝(zhuang)置基本相同。
3. 控制系統(tong)
使用兩套電源時(shi)，需能(neng)分(fen)別調節(jie)非(fei)轉(zhuan)移弧和轉(zhuan)移弧的電流(liu)，其余與鎢(wu)極氬弧焊類似。遇(yu)復雜情(qing)況，還(huan)需能(neng)控制離子氣的遞增和衰(shuai)減。
4. 氣(qi)路(lu)和水路(lu)
等離(li)(li)子(zi)弧焊(han)(han)供(gong)氣(qi)(qi)系(xi)(xi)統的(de)氣(qi)(qi)路(lu)要比(bi)鎢極氬弧焊(han)(han)復雜，見圖5-15。等離(li)(li)子(zi)弧焊(han)(han)如采用(yong)混(hun)氫混(hun)合氣(qi)(qi)體(ti)時，必須保證供(gong)氣(qi)(qi)系(xi)(xi)統中不能漏氣(qi)(qi)，否則會有引(yin)起爆炸的(de)危(wei)險(xian)。在供(gong)氣(qi)(qi)系(xi)(xi)統中，要有氣(qi)(qi)流(liu)匯流(liu)裝置進(jin)(jin)行均流(liu)，均勻地將氣(qi)(qi)分配給各路(lu)氣(qi)(qi)路(lu)；還(huan)要有貯(zhu)氣(qi)(qi)筒(tong)，對離(li)(li)子(zi)氣(qi)(qi)進(jin)(jin)行緩沖。衰(shuai)減(jian)氣(qi)(qi)閥對結束(shu)焊(han)(han)接時的(de)氣(qi)(qi)流(liu)進(jin)(jin)行衰(shuai)減(jian)。
等(deng)離子(zi)弧焊的(de)水(shui)路(lu)與鎢極氬弧焊的(de)水(shui)路(lu)相同(tong)。
5. 焊槍(qiang)
等離子弧焊(han)槍要比(bi)鎢(wu)極(ji)氬焊(han)焊(han)槍復雜、精密(mi)得多，其中(zhong)最主要的部件(jian)是離子弧噴嘴和保證鎢(wu)極(ji)與(yu)等離子噴嘴同心的裝置。某型號300A等離子弧焊(han)槍結構見圖5-16。
三(san)、等(deng)離子(zi)弧焊槍的噴嘴
等離子弧焊槍(qiang)的(de)噴嘴是產生等離子弧的(de)關鍵部件，它的(de)設計是否合理(li)，對保證等離子弧的(de)穩(wen)定、正常工作(zuo)以及焊接質量具有決(jue)定性(xing)作(zuo)用。
1. 噴嘴(zui)的主要結構參數（圖5-17)
a. 噴嘴(zui)孔徑d
噴嘴(zui)孔(kong)徑(jing)d,它決定等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)直徑(jing)的(de)(de)(de)大(da)(da)小。噴嘴(zui)孔(kong)徑(jing)d決定了(le)應(ying)使(shi)用的(de)(de)(de)焊接(jie)電流(liu)和離(li)子(zi)氣流(liu)量，也(ye)可以依據焊接(jie)電流(liu)和離(li)子(zi)氣流(liu)量先擇噴嘴(zui)孔(kong)徑(jing)d的(de)(de)(de)大(da)(da)小。總之(zhi)，d越大(da)(da)則(ze)壓縮作用越小，當d過于(yu)大(da)(da)對(dui)則(ze)無壓縮效(xiao)果；而d過小時，則(ze)會引起雙弧(hu)（圖5-47),破壞了(le)等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)的(de)(de)(de)穩(wen)定性。因(yin)此，對(dui)于(yu)給(gei)定的(de)(de)(de)d值，有一個(ge)合(he)理的(de)(de)(de)焊接(jie)電流(liu)使(shi)用范(fan)圍。表5-2列出了(le)常用的(de)(de)(de)某型號(hao)噴嘴(zui)孔(kong)徑(jing)d及其(qi)焊接(jie)電流(liu)的(de)(de)(de)使(shi)用范(fan)圍，供參考。
b. 噴嘴(zui)孔長度L
當噴嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑d給(gei)定時，噴嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)長度(du)（深度(du)）L的(de)增(zeng)加(jia)，則壓(ya)縮作用加(jia)強。常以L/d表示(shi)噴嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)道(dao)壓(ya)縮特征，稱(cheng)之為孔(kong)(kong)道(dao)比（表5-3).
c. 錐角 α
錐角(jiao)(jiao)α又稱壓(ya)縮(suo)(suo)角(jiao)(jiao)，實際上(shang)它對等離子(zi)弧壓(ya)縮(suo)(suo)狀(zhuang)態影響(xiang)不大，特別(bie)是當離子(zi)氣流量較(jiao)小(xiao)，L/d較(jiao)小(xiao)時。但(dan)壓(ya)縮(suo)(suo)角(jiao)(jiao)小(xiao)時，能增強對電弧的壓(ya)縮(suo)(suo)作用。一般(ban)應(ying)注意(yi)和鎢極端(duan)部形狀(zhuang)相配合，以利于(yu)(yu)陰(yin)極斑點置于(yu)(yu)鎢極頂端(duan)而不上(shang)漂。常用的壓(ya)縮(suo)(suo)角(jiao)(jiao)α值(zhi)為60°~75°。
d. 壓縮通道的形狀
多數噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)采用圓(yuan)柱形(xing)(xing)壓(ya)縮(suo)通道，但也(ye)有采用圓(yuan)錐(zhui)形(xing)(xing)、臺階圓(yuan)柱形(xing)(xing)等擴散(san)型噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)。這(zhe)類噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)降(jiang)低(di)了壓(ya)縮(suo)程(cheng)度，有利(li)于(yu)提高等離子弧的穩定性和噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)使(shi)用壽命。擴散(san)型噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)結構(gou)見圖5-18。
除了單孔(kong)(kong)型（圖(tu)5-17a)噴嘴外(wai)，還(huan)有多(duo)孔(kong)(kong)型噴嘴。例(li)如(ru)，兩側帶(dai)(dai)有2個輔(fu)助小(xiao)(xiao)孔(kong)(kong)的(de)(de)焊接噴嘴（圖(tu)5-17b),可使(shi)等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)的(de)(de)橫截(jie)面由圓形變為橢(tuo)圓形，使(shi)熱源有效(xiao)功率密度提(ti)高(gao)，有利(li)于進一步提(ti)高(gao)焊速和減小(xiao)(xiao)焊縫及(ji)熱影(ying)響區寬度。四(si)周帶(dai)(dai)有多(duo)個小(xiao)(xiao)孔(kong)(kong)的(de)(de)噴嘴（圖(tu)5-17c)可使(shi)等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)在噴嘴外(wai)得到(dao)(dao)二(er)次壓縮，用(yong)(yong)于切割，有利(li)于進一步提(ti)高(gao)等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)挺度及(ji)切口質量；但過多(duo)的(de)(de)小(xiao)(xiao)孔(kong)(kong)易(yi)受金屬飛濺物堵塞而失去其有利(li)作用(yong)(yong)并造(zao)成不利(li)的(de)(de)等離(li)子(zi)(zi)弧(hu)偏轉，因此并未得到(dao)(dao)廣泛應用(yong)(yong)。
2. 噴嘴的材料和(he)冷卻
等(deng)離(li)子弧焊(han)的(de)噴(pen)嘴(zui)應采(cai)用導熱性良好的(de)紫銅制成，大功率(lv)（電流(liu)）噴(pen)嘴(zui)還必(bi)須采(cai)用直(zhi)接水冷(leng)，并保證冷(leng)卻(que)水有足夠的(de)流(liu)量和(he)壓力，最(zui)好配(pei)備專用高壓冷(leng)卻(que)裝置。大功率(lv)等(deng)離(li)子弧焊(han)槍(qiang)應采(cai)用循環(huan)的(de)高壓蒸餾水直(zhi)接冷(leng)卻(que)槍(qiang)體，冷(leng)卻(que)水再經(jing)熱交換器散熱后循環(huan)使用。為了提高冷(leng)卻(que)效果(guo)，噴(pen)嘴(zui)的(de)壁(bi)厚(hou)一般在2mm~2.5mm之間。
