等離子弧焊(han)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)的特性
1. 靜態特(te)性(xing)
等離子(zi)弧的靜(jing)態特性(xing)仍然呈U型曲線，但具有以下特點(dian)：
a. 由于冷壁噴嘴的(de)拘束作用使弧(hu)柱橫(heng)截(jie)面(mian)積受到(dao)限(xian)制，弧(hu)柱電場(chang)強度增大，電弧(hu)電壓明顯提高，U型特性的(de)平直區較自由電弧(hu)明顯縮小。
b. 拘束孔(kong)道的(de)(de)尺(chi)寸(cun)和形狀對靜特性有(you)明顯的(de)(de)影響，噴嘴孔(kong)徑越小(xiao)，U型特性平直區域就越小(xiao)，上升段斜率增(zeng)大，即弧柱電場強度增(zeng)大。
c. 離(li)子(zi)氣的種(zhong)類(lei)和流(liu)量不同時(shi)，弧(hu)柱的電場強度將(jiang)有明顯(xian)變化。因此，用(yong)于(yu)等離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)的電源空載(zai)電壓應按所用(yong)等離(li)子(zi)氣種(zhong)類(lei)而定。
d. 如果采用(yong)聯合型(xing)等離子弧(hu)(hu)，轉(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)(hu)U型(xing)特性(xing)下降區段斜率明顯減小，這是由于(yu)非轉(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)(hu)的存在為轉(zhuan)移(yi)(yi)弧(hu)(hu)提(ti)供了導(dao)電通路之故。因此小電流(liu)微(wei)束等離子弧(hu)(hu)常采用(yong)混合型(xing)弧(hu)(hu)，以提(ti)高其(qi)穩定性(xing)。
2. 熱源特性
a. 溫度(du)和能量(liang)密度(du)
等離子(zi)弧(hu)(hu)的弧(hu)(hu)柱溫度高，能(neng)量密度大(da)。從(cong)圖(tu)5-9和圖(tu)5-10可以看(kan)出，等離子(zi)弧(hu)(hu)對焊件加熱集(ji)中，熔透力(li)強，焊接(jie)時速度要比氬弧(hu)(hu)焊快得多，從(cong)而可提高焊接(jie)生產效率。普通鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)的最高溫度為10000K~24000K,能(neng)量密度小于10kW/c㎡;而等離子(zi)弧(hu)(hu)的溫度可高達(da)24000K~50000K,能(neng)量密度可達(da)100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此(ci)，等離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)(han)的焊(han)(han)縫截面形狀(zhuang)較窄，深(shen)寬比大，無疑焊(han)(han)件變形就小。等離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)(han)和鎢(wu)極氬弧(hu)焊(han)(han)深(shen)寬比比較見圖(tu)5-11。
等(deng)離子弧溫度和能量密度高的(de)原因是：
①. 水冷(leng)噴嘴孔徑限(xian)定了弧柱橫截面積(ji)不(bu)能自由擴大，這種拘束作(zuo)用稱為機(ji)械壓縮作(zuo)用。
②. 噴嘴水冷(leng)(leng)(leng)作用(yong)(yong)使(shi)靠(kao)近噴嘴內壁(bi)的氣(qi)體也(ye)受(shou)到(dao)強(qiang)烈的冷(leng)(leng)(leng)卻作用(yong)(yong)，并且溫度(du)(du)(du)(du)和電(dian)(dian)離度(du)(du)(du)(du)均迅速下降(jiang)，迫使(shi)弧柱(zhu)(zhu)區電(dian)(dian)流集中到(dao)弧柱(zhu)(zhu)中心的高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)電(dian)(dian)離度(du)(du)(du)(du)區。這樣由于冷(leng)(leng)(leng)壁(bi)而(er)(er)在(zai)弧柱(zhu)(zhu)四周產生(sheng)一(yi)(yi)層電(dian)(dian)離度(du)(du)(du)(du)趨近于零(ling)的冷(leng)(leng)(leng)氣(qi)膜，從而(er)(er)使(shi)弧柱(zhu)(zhu)有效橫(heng)截(jie)面(mian)進一(yi)(yi)步(bu)減小，電(dian)(dian)流密(mi)度(du)(du)(du)(du)進一(yi)(yi)步(bu)提高(gao)(gao)。這種(zhong)使(shi)弧柱(zhu)(zhu)溫度(du)(du)(du)(du)和能(neng)量密(mi)度(du)(du)(du)(du)提高(gao)(gao)的作用(yong)(yong)通(tong)常又稱(cheng)為熱收縮效應。
③. 由于(yu)以上(shang)兩個收(shou)縮效(xiao)應的存在，弧(hu)柱(zhu)(zhu)電流(liu)(liu)密度(du)增大以后(hou)，弧(hu)柱(zhu)(zhu)電流(liu)(liu)線之間的電磁收(shou)縮作用也進一(yi)步增強，致使弧(hu)柱(zhu)(zhu)溫度(du)和能量(liang)密度(du)進一(yi)步提高。以上(shang)3個因素中，噴嘴機械拘束是前(qian)提條(tiao)件(jian)，而熱收(shou)縮則(ze)是最本(ben)質的原因。
等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)溫度(du)(du)和能量密度(du)(du)的顯著(zhu)提(ti)(ti)高，弧(hu)(hu)(hu)柱(zhu)近似(si)于圓柱(zhu)形，使等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)的穩定性和挺(ting)直度(du)(du)變得更好。自(zi)由電弧(hu)(hu)(hu)（如鎢(wu)極氬弧(hu)(hu)(hu)焊(han)）的擴(kuo)散(san)角(jiao)約為45°,等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)擴(kuo)散(san)角(jiao)約為5°(圖5-12),這(zhe)是(shi)因為壓縮后從噴(pen)(pen)嘴口(kou)噴(pen)(pen)射出(chu)的等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)帶電質點運動速度(du)(du)明顯提(ti)(ti)高所致，速度(du)(du)最高可達300m/s(跟(gen)噴(pen)(pen)嘴結(jie)構、離(li)子(zi)氣種類(lei)和流量有關）。
圖(tu)5-13是等離子弧(hu)(hu)焊(han)和鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)焊(han)時(shi)(shi)，弧(hu)(hu)長(chang)波動時(shi)(shi)對焊(han)縫(feng)熔(rong)深的影響。當等離子弧(hu)(hu)長(chang)（實際(ji)上是噴嘴端面(mian)到(dao)焊(han)件(jian)表(biao)面(mian)的距(ju)離）從(cong)3mm增(zeng)大(da)到(dao)8mm時(shi)(shi)，對焊(han)縫(feng)熔(rong)深幾乎不(bu)產生(sheng)影響；而鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)孤長(chang)從(cong)1.5mm增(zeng)大(da)到(dao)2.5mm時(shi)(shi)，焊(han)縫(feng)的熔(rong)深就明(ming)顯(xian)下降。
b. 熱源成分
普通(tong)鎢(wu)極(ji)(ji)氬弧焊(han)中，加熱(re)(re)焊(han)件的熱(re)(re)量主(zhu)要來源于陽極(ji)(ji)斑點，弧柱輻射熱(re)(re)和傳導(dao)熱(re)(re)僅起輔助(zhu)作用。在(zai)等離子(zi)弧焊(han)中，情況(kuang)則(ze)有(you)變化，弧柱高(gao)速等離子(zi)體通(tong)過接(jie)觸(chu)傳導(dao)和輻射帶給焊(han)件的熱(re)(re)量明顯增加，甚(shen)至可能成為主(zhu)要的熱(re)(re)量來源，而陽極(ji)(ji)熱(re)(re)則(ze)降為次要地(di)位。
3. 等離子弧(hu)的基(ji)本形式
等離子弧按電源(yuan)的(de)接法和產(chan)生(sheng)形(xing)式的(de)不同，可分為轉移型、非轉移型和聯(lian)合型3種基本形(xing)式，如圖(tu)5-14所示。
a. 轉移型等離子弧(hu)
等離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)是在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)和(he)(he)工(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)(jian)燃燒(shao)，但由于(yu)(yu)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)內縮于(yu)(yu)等離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)噴嘴內，難以直接形成等離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)，所以必(bi)須先在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)和(he)(he)水冷噴嘴之(zhi)間(jian)(jian)引燃電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)（水冷噴嘴既是電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)的(de)一(yi)極(ji)(ji)(ji)，又(you)起著冷壁拘束電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)的(de)作用(yong)），再(zai)轉移為電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)與工(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)(jian)燃燒(shao)。這(zhe)種(zhong)借助于(yu)(yu)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)與水冷噴嘴再(zai)轉移為電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)與工(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)稱(cheng)為轉移弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)（圖5-14a).由于(yu)(yu)轉移型等離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)的(de)陽(yang)極(ji)(ji)(ji)斑點處于(yu)(yu)工(gong)(gong)件(jian)上，直接加熱(re)工(gong)(gong)件(jian)，使電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)熱(re)量的(de)有(you)效利用(yong)率提(ti)高(gao)，同時轉移型等離(li)(li)子(zi)(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)具有(you)很高(gao)的(de)動能(neng)和(he)(he)沖(chong)擊力，特別(bie)適合于(yu)(yu)焊接。
b. 非轉移型等(deng)離子弧
電(dian)(dian)源接(jie)于電(dian)(dian)極(ji)(ji)和噴(pen)(pen)嘴之間(jian)，工件不接(jie)入焊接(jie)回路，鎢極(ji)(ji)為陰極(ji)(ji)，噴(pen)(pen)嘴為陽極(ji)(ji)，等(deng)(deng)離(li)子弧(hu)在電(dian)(dian)極(ji)(ji)和水(shui)冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)嘴之間(jian)引(yin)燃電(dian)(dian)弧(hu)（水(shui)冷(leng)(leng)噴(pen)(pen)嘴既是電(dian)(dian)弧(hu)的(de)一極(ji)(ji)，又(you)起著冷(leng)(leng)壁拘束電(dian)(dian)弧(hu)的(de)作(zuo)用(yong)）噴(pen)(pen)出，形成的(de)等(deng)(deng)離(li)子弧(hu)稱(cheng)為非轉移型等(deng)(deng)離(li)子弧(hu)，又(you)叫等(deng)(deng)離(li)子焰，見圖5-14b。
因(yin)為非轉移(yi)型(xing)等離子弧對工(gong)件的(de)(de)加熱是間接的(de)(de)，傳到(dao)工(gong)件上的(de)(de)熱量(liang)較少(shao)，只適用于焊接薄板和等離子噴涂，這里就(jiu)不再詳細介紹。
c. 聯合型(xing)等離(li)子(zi)弧
轉移型等(deng)離(li)(li)子弧(hu)和(he)非轉移型等(deng)離(li)(li)子弧(hu)同時(shi)存(cun)在的等(deng)離(li)(li)子弧(hu)，稱(cheng)為聯(lian)合(he)型等(deng)離(li)(li)子弧(hu)，如圖(tu)5-14c所示。這(zhe)種(zhong)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)焊很少采用，這(zhe)里就不再詳(xiang)細介(jie)紹。
二、等(deng)離子弧焊設(she)備
1. 焊接電源
具有下降(jiang)或(huo)垂直陡降(jiang)特性的直流(liu)電源（與鎢(wu)極(ji)(ji)氬弧(hu)(hu)焊(han)(han)的電源相同(tong)）都可(ke)供等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)焊(han)(han)使用(yong)。用(yong)純氬氣做離(li)(li)子(zi)氣時，電源空載電壓(ya)(ya)只需65V~80V;用(yong)氬＋氫混(hun)合氣做離(li)(li)子(zi)氣時，電源空載電壓(ya)(ya)需110V~120V.若無合適的專用(yong)電源，可(ke)用(yong)兩臺普通直流(liu)弧(hu)(hu)焊(han)(han)電源串聯(lian)使用(yong)。大電流(liu)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)焊(han)(han)都采用(yong)轉移(yi)(yi)型弧(hu)(hu)，用(yong)高頻引燃非轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)，然(ran)后轉移(yi)(yi)成轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)。因此，一(yi)般(ban)可(ke)以采用(yong)一(yi)臺焊(han)(han)接電源，用(yong)串接電阻的方法向電極(ji)(ji)和(he)水冷噴嘴回路提(ti)供產生非轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)所(suo)需要的較低電流(liu)，見圖5-14a。
2. 引弧裝置(zhi)
等離(li)子弧(hu)焊(han)的引弧(hu)裝置(zhi)與鎢極氬弧(hu)焊(han)的引弧(hu)裝置(zhi)基本相(xiang)同。
3. 控制(zhi)系統
使用(yong)兩(liang)套電(dian)源時，需能分別調節(jie)非轉移弧和(he)轉移弧的(de)電(dian)流，其余與鎢極(ji)氬弧焊類似(si)。遇復雜情況，還需能控制(zhi)離子氣的(de)遞增和(he)衰減。
4. 氣路和水路
等(deng)離(li)子弧(hu)焊(han)供(gong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)的氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)路(lu)要(yao)(yao)(yao)比鎢極氬弧(hu)焊(han)復雜(za)，見圖5-15。等(deng)離(li)子弧(hu)焊(han)如采用混氫(qing)混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體時，必(bi)須保證供(gong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)中(zhong)不能漏氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，否則會(hui)有引起(qi)爆炸的危險。在供(gong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)中(zhong)，要(yao)(yao)(yao)有氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)流(liu)匯流(liu)裝置進行均(jun)流(liu)，均(jun)勻(yun)地將氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)分配給(gei)各路(lu)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)路(lu)；還(huan)要(yao)(yao)(yao)有貯氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)筒(tong)，對(dui)離(li)子氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)進行緩沖。衰(shuai)減氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)閥對(dui)結束焊(han)接(jie)時的氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)流(liu)進行衰(shuai)減。
等(deng)離(li)子弧(hu)焊(han)的水(shui)路與鎢(wu)極氬弧(hu)焊(han)的水(shui)路相同。
5. 焊槍
等離子弧焊(han)(han)槍(qiang)要(yao)比鎢極(ji)氬焊(han)(han)焊(han)(han)槍(qiang)復雜、精密得多，其中最主要(yao)的(de)部(bu)件是離子弧噴嘴(zui)和保證鎢極(ji)與等離子噴嘴(zui)同心的(de)裝置。某型號300A等離子弧焊(han)(han)槍(qiang)結(jie)構見圖5-16。
三(san)、等離(li)子弧焊槍(qiang)的噴(pen)嘴
等(deng)離子(zi)弧焊槍的噴(pen)嘴是產生(sheng)等(deng)離子(zi)弧的關鍵(jian)部件(jian)，它的設計是否合理(li)，對保證等(deng)離子(zi)弧的穩定、正常工作以及(ji)焊接質量具有決定性作用(yong)。
1. 噴嘴(zui)的主(zhu)要結構參數（圖5-17)
a. 噴嘴孔徑(jing)d
噴(pen)嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)d,它決(jue)定(ding)等離(li)子(zi)弧(hu)直徑(jing)(jing)的(de)(de)大(da)小(xiao)(xiao)(xiao)。噴(pen)嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)d決(jue)定(ding)了應使用(yong)的(de)(de)焊接(jie)(jie)電(dian)流(liu)(liu)(liu)和離(li)子(zi)氣流(liu)(liu)(liu)量，也可(ke)以(yi)依據焊接(jie)(jie)電(dian)流(liu)(liu)(liu)和離(li)子(zi)氣流(liu)(liu)(liu)量先擇噴(pen)嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)d的(de)(de)大(da)小(xiao)(xiao)(xiao)。總之，d越大(da)則壓縮作用(yong)越小(xiao)(xiao)(xiao)，當d過于大(da)對則無壓縮效果；而(er)d過小(xiao)(xiao)(xiao)時，則會(hui)引起雙弧(hu)（圖5-47),破壞了等離(li)子(zi)弧(hu)的(de)(de)穩定(ding)性。因此，對于給定(ding)的(de)(de)d值(zhi)，有一(yi)個合理的(de)(de)焊接(jie)(jie)電(dian)流(liu)(liu)(liu)使用(yong)范圍(wei)。表5-2列出了常用(yong)的(de)(de)某(mou)型(xing)號噴(pen)嘴(zui)(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)d及其焊接(jie)(jie)電(dian)流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)使用(yong)范圍(wei)，供參考。
b. 噴嘴(zui)孔長度L
當(dang)噴(pen)(pen)嘴孔(kong)徑d給(gei)定(ding)時，噴(pen)(pen)嘴孔(kong)長度（深度）L的增(zeng)加，則壓縮(suo)作用(yong)加強。常(chang)以L/d表示(shi)噴(pen)(pen)嘴孔(kong)道壓縮(suo)特征，稱之為(wei)孔(kong)道比（表5-3).
c. 錐(zhui)角 α
錐角(jiao)(jiao)α又(you)稱壓(ya)縮角(jiao)(jiao)，實際上它對等離子弧(hu)壓(ya)縮狀態影響不大，特(te)別是當離子氣流量較(jiao)小，L/d較(jiao)小時。但(dan)壓(ya)縮角(jiao)(jiao)小時，能增強(qiang)對電弧(hu)的(de)壓(ya)縮作用。一(yi)般應(ying)注意(yi)和鎢極(ji)端(duan)部形(xing)狀相配(pei)合(he)，以利于(yu)陰極(ji)斑點置于(yu)鎢極(ji)頂端(duan)而不上漂。常用的(de)壓(ya)縮角(jiao)(jiao)α值(zhi)為60°~75°。
d. 壓縮通(tong)道的形(xing)狀
多數噴(pen)嘴(zui)采(cai)用圓(yuan)柱形壓縮(suo)通道，但也(ye)有(you)采(cai)用圓(yuan)錐形、臺階圓(yuan)柱形等擴(kuo)散型(xing)噴(pen)嘴(zui)。這類噴(pen)嘴(zui)降低了壓縮(suo)程度，有(you)利于提高(gao)等離子弧的穩定性和噴(pen)嘴(zui)使用壽(shou)命。擴(kuo)散型(xing)噴(pen)嘴(zui)結構見圖5-18。
除(chu)了單孔型(xing)（圖(tu)5-17a)噴(pen)嘴(zui)(zui)外(wai)(wai)，還(huan)有(you)(you)多(duo)孔型(xing)噴(pen)嘴(zui)(zui)。例如(ru)，兩側帶有(you)(you)2個輔助(zhu)小孔的(de)焊接噴(pen)嘴(zui)(zui)（圖(tu)5-17b),可(ke)使(shi)(shi)等離子弧(hu)的(de)橫截面由(you)圓(yuan)形(xing)變為橢(tuo)圓(yuan)形(xing)，使(shi)(shi)熱源有(you)(you)效功(gong)率密度提高(gao)(gao)，有(you)(you)利于進一步(bu)提高(gao)(gao)焊速和減(jian)小焊縫及熱影(ying)響(xiang)區寬度。四周帶有(you)(you)多(duo)個小孔的(de)噴(pen)嘴(zui)(zui)（圖(tu)5-17c)可(ke)使(shi)(shi)等離子弧(hu)在噴(pen)嘴(zui)(zui)外(wai)(wai)得(de)到二(er)次壓縮，用于切(qie)割，有(you)(you)利于進一步(bu)提高(gao)(gao)等離子弧(hu)挺度及切(qie)口質量；但過多(duo)的(de)小孔易受金(jin)屬飛(fei)濺物堵塞而失去其有(you)(you)利作(zuo)用并造(zao)成不利的(de)等離子弧(hu)偏(pian)轉(zhuan)，因此并未(wei)得(de)到廣泛應用。
2. 噴嘴(zui)的材料(liao)和冷卻
等離(li)子(zi)弧(hu)焊的噴(pen)嘴應采(cai)用(yong)導熱(re)性良好的紫銅制成，大功(gong)率（電流）噴(pen)嘴還必(bi)須采(cai)用(yong)直(zhi)接水冷，并保證(zheng)冷卻水有足夠的流量和壓(ya)(ya)力，最好配備專用(yong)高壓(ya)(ya)冷卻裝置。大功(gong)率等離(li)子(zi)弧(hu)焊槍應采(cai)用(yong)循環的高壓(ya)(ya)蒸餾水直(zhi)接冷卻槍體，冷卻水再(zai)經熱(re)交換器(qi)散(san)熱(re)后(hou)循環使用(yong)。為(wei)了提高冷卻效果，噴(pen)嘴的壁厚一(yi)般在(zai)2mm~2.5mm之(zhi)間(jian)。
