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、等離子弧的特性
1. 靜態特性
等離子弧的靜態(tai)特(te)性仍然呈(cheng)U型曲(qu)線，但具有以下特(te)點(dian)：
a. 由(you)(you)于冷壁噴嘴的拘束作(zuo)用使弧(hu)柱橫截面積受到限制(zhi)，弧(hu)柱電場強度(du)增大，電弧(hu)電壓明顯提高，U型特性的平直區較自由(you)(you)電弧(hu)明顯縮(suo)小。
b. 拘束孔道的尺寸和(he)形狀對靜特(te)性有明顯的影(ying)響，噴嘴孔徑越(yue)小，U型特(te)性平直區域(yu)就越(yue)小，上升段斜(xie)率(lv)增大(da)，即弧(hu)柱電(dian)場強度增大(da)。
c. 離子氣(qi)的種類和流(liu)量不同時，弧(hu)柱(zhu)的電(dian)場強度將(jiang)有明顯(xian)變(bian)化。因此，用(yong)于等(deng)離子弧(hu)焊(han)的電(dian)源(yuan)空(kong)載電(dian)壓應按所用(yong)等(deng)離子氣(qi)種類而定。
d. 如果采用(yong)聯合(he)型(xing)等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)，轉(zhuan)移弧(hu)(hu)U型(xing)特性下降區段斜率(lv)明顯減(jian)小，這是由于非轉(zhuan)移弧(hu)(hu)的存(cun)在為轉(zhuan)移弧(hu)(hu)提(ti)供了導(dao)電(dian)通(tong)路之故。因此小電(dian)流微束等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)常采用(yong)混(hun)合(he)型(xing)弧(hu)(hu)，以提(ti)高(gao)其穩定(ding)性。
2. 熱源特性
a. 溫度和能量密(mi)度
等離(li)子(zi)弧的(de)弧柱溫(wen)(wen)度高(gao)，能量密(mi)度大。從(cong)(cong)圖5-9和圖5-10可(ke)以看出，等離(li)子(zi)弧對(dui)焊件(jian)加(jia)熱(re)集(ji)中，熔透(tou)力(li)強，焊接時速度要(yao)比氬弧焊快(kuai)得多(duo)，從(cong)(cong)而(er)(er)可(ke)提高(gao)焊接生產(chan)效率。普通鎢(wu)極氬弧的(de)最高(gao)溫(wen)(wen)度為10000K~24000K,能量密(mi)度小于10kW/c㎡;而(er)(er)等離(li)子(zi)弧的(de)溫(wen)(wen)度可(ke)高(gao)達(da)24000K~50000K,能量密(mi)度可(ke)達(da)100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此(ci)，等(deng)離子弧焊的焊縫截面形狀較窄(zhai)，深(shen)(shen)寬(kuan)(kuan)比大(da)，無疑(yi)焊件變形就小。等(deng)離子弧焊和鎢極氬弧焊深(shen)(shen)寬(kuan)(kuan)比比較見圖5-11。
等離子(zi)弧溫(wen)度(du)(du)和能量密度(du)(du)高的原(yuan)因是(shi)：
①. 水冷噴嘴孔(kong)徑(jing)限定了弧柱橫截(jie)面(mian)積不能自由(you)擴大，這種拘束作用(yong)稱(cheng)為機(ji)械壓縮作用(yong)。
②. 噴(pen)嘴水冷作用使(shi)(shi)靠近噴(pen)嘴內壁的(de)(de)氣體也受到(dao)強烈(lie)的(de)(de)冷卻作用，并且溫度(du)和(he)電(dian)離(li)(li)度(du)均迅速下降，迫使(shi)(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)區電(dian)流(liu)(liu)集中(zhong)到(dao)弧(hu)(hu)柱(zhu)中(zhong)心(xin)的(de)(de)高溫高電(dian)離(li)(li)度(du)區。這樣由于(yu)冷壁而(er)在弧(hu)(hu)柱(zhu)四周(zhou)產生(sheng)一層電(dian)離(li)(li)度(du)趨近于(yu)零的(de)(de)冷氣膜，從(cong)而(er)使(shi)(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)有效橫截面進(jin)一步(bu)減小，電(dian)流(liu)(liu)密(mi)度(du)進(jin)一步(bu)提(ti)高。這種使(shi)(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)溫度(du)和(he)能量密(mi)度(du)提(ti)高的(de)(de)作用通常又稱為熱收(shou)縮(suo)效應。
③. 由(you)于以(yi)上(shang)兩(liang)個收(shou)(shou)縮效應(ying)的存在，弧柱(zhu)電(dian)流密度(du)增大以(yi)后，弧柱(zhu)電(dian)流線之間(jian)的電(dian)磁收(shou)(shou)縮作(zuo)用(yong)也進一步(bu)增強，致使弧柱(zhu)溫度(du)和能量(liang)密度(du)進一步(bu)提(ti)高。以(yi)上(shang)3個因素(su)中，噴嘴(zui)機械拘束(shu)是(shi)前(qian)提(ti)條(tiao)件，而熱收(shou)(shou)縮則是(shi)最(zui)本質的原因。
等(deng)(deng)離子弧溫度(du)和(he)(he)能(neng)量密(mi)度(du)的(de)顯著提(ti)高(gao)，弧柱近(jin)似于(yu)圓(yuan)柱形，使等(deng)(deng)離子弧的(de)穩定性和(he)(he)挺(ting)直度(du)變得更(geng)好(hao)。自由(you)電(dian)(dian)弧（如鎢(wu)極氬弧焊）的(de)擴(kuo)散角(jiao)約為(wei)45°,等(deng)(deng)離子弧擴(kuo)散角(jiao)約為(wei)5°(圖5-12),這(zhe)是因為(wei)壓縮(suo)后從噴(pen)嘴口(kou)噴(pen)射出(chu)的(de)等(deng)(deng)離子弧帶電(dian)(dian)質點運(yun)動速度(du)明顯提(ti)高(gao)所致，速度(du)最高(gao)可達(da)300m/s(跟(gen)噴(pen)嘴結構、離子氣(qi)種類和(he)(he)流量有關）。
圖5-13是等離子弧(hu)焊和鎢(wu)極氬弧(hu)焊時(shi)(shi)，弧(hu)長(chang)波動時(shi)(shi)對(dui)焊縫熔深(shen)的影響(xiang)。當等離子弧(hu)長(chang)（實際上是噴嘴(zui)端(duan)面到焊件表面的距(ju)離）從3mm增大到8mm時(shi)(shi)，對(dui)焊縫熔深(shen)幾乎不(bu)產生影響(xiang)；而鎢(wu)極氬弧(hu)孤長(chang)從1.5mm增大到2.5mm時(shi)(shi)，焊縫的熔深(shen)就明(ming)顯下(xia)降。
b. 熱源成分(fen)
普通(tong)鎢極氬弧(hu)焊(han)中(zhong)，加(jia)熱(re)(re)(re)(re)焊(han)件(jian)的(de)熱(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)主要(yao)(yao)來(lai)源于陽極斑點，弧(hu)柱(zhu)輻射熱(re)(re)(re)(re)和(he)傳(chuan)導熱(re)(re)(re)(re)僅起輔助(zhu)作用。在等離子弧(hu)焊(han)中(zhong)，情況(kuang)則(ze)有變化，弧(hu)柱(zhu)高(gao)速等離子體通(tong)過接觸傳(chuan)導和(he)輻射帶給焊(han)件(jian)的(de)熱(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)明顯(xian)增加(jia)，甚至可能成為主要(yao)(yao)的(de)熱(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)來(lai)源，而陽極熱(re)(re)(re)(re)則(ze)降為次要(yao)(yao)地位(wei)。
3. 等離(li)子弧的基本形式
等離(li)子弧按電源的(de)接法(fa)和(he)產(chan)生形式的(de)不同，可分(fen)為轉移型(xing)、非(fei)轉移型(xing)和(he)聯合型(xing)3種基本(ben)形式，如圖5-14所示。
a. 轉移型等離子(zi)弧
等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)是在電極(ji)(ji)和工件(jian)之(zhi)間(jian)(jian)燃(ran)燒(shao)，但由于(yu)(yu)(yu)電極(ji)(ji)內縮于(yu)(yu)(yu)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)噴(pen)嘴內，難以(yi)直接(jie)形成(cheng)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)，所以(yi)必須先在電極(ji)(ji)和水冷噴(pen)嘴之(zhi)間(jian)(jian)引燃(ran)電弧(hu)(hu)（水冷噴(pen)嘴既是電弧(hu)(hu)的(de)(de)(de)一極(ji)(ji)，又起著冷壁拘束電弧(hu)(hu)的(de)(de)(de)作用），再轉(zhuan)移(yi)為電弧(hu)(hu)在電極(ji)(ji)與工件(jian)之(zhi)間(jian)(jian)燃(ran)燒(shao)。這種借(jie)助(zhu)于(yu)(yu)(yu)電極(ji)(ji)與水冷噴(pen)嘴再轉(zhuan)移(yi)為電極(ji)(ji)與工件(jian)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)電弧(hu)(hu)稱為轉(zhuan)移(yi)弧(hu)(hu)（圖5-14a).由于(yu)(yu)(yu)轉(zhuan)移(yi)型(xing)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)的(de)(de)(de)陽極(ji)(ji)斑點處于(yu)(yu)(yu)工件(jian)上，直接(jie)加熱工件(jian)，使電弧(hu)(hu)熱量的(de)(de)(de)有效(xiao)利用率提(ti)高(gao)，同時轉(zhuan)移(yi)型(xing)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)具有很高(gao)的(de)(de)(de)動能和沖擊力，特別適合于(yu)(yu)(yu)焊接(jie)。
b. 非轉移(yi)型等離子弧
電源接于電極和噴(pen)(pen)嘴之(zhi)間，工件(jian)不(bu)接入焊接回路，鎢(wu)極為(wei)(wei)陰極，噴(pen)(pen)嘴為(wei)(wei)陽極，等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)在電極和水(shui)冷噴(pen)(pen)嘴之(zhi)間引(yin)燃電弧(hu)（水(shui)冷噴(pen)(pen)嘴既是電弧(hu)的一(yi)極，又(you)起著冷壁拘束電弧(hu)的作用）噴(pen)(pen)出，形成的等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)稱(cheng)為(wei)(wei)非轉(zhuan)移型等(deng)離(li)子(zi)(zi)弧(hu)，又(you)叫等(deng)離(li)子(zi)(zi)焰，見圖5-14b。
因為非轉(zhuan)移型等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)對工件的加熱是(shi)間接的，傳(chuan)到工件上(shang)的熱量較少，只適用于焊接薄板(ban)和等(deng)離(li)子(zi)噴(pen)涂，這里就不再詳細介紹。
c. 聯(lian)合型等離子(zi)弧
轉(zhuan)移型(xing)等(deng)(deng)離子弧(hu)(hu)和非(fei)轉(zhuan)移型(xing)等(deng)(deng)離子弧(hu)(hu)同時存在的(de)等(deng)(deng)離子弧(hu)(hu)，稱(cheng)為(wei)聯合(he)型(xing)等(deng)(deng)離子弧(hu)(hu)，如圖5-14c所示。這種等(deng)(deng)離子弧(hu)(hu)焊很少采(cai)用，這里就不(bu)再(zai)詳細介紹(shao)。
二(er)、等離子弧焊設備
1. 焊(han)接電源
具有下降或垂(chui)直(zhi)陡(dou)降特性的(de)直(zhi)流電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)（與(yu)鎢極氬弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)相同(tong)）都可供等離子弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)使用(yong)。用(yong)純氬氣(qi)做(zuo)離子氣(qi)時，電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)空(kong)載電(dian)(dian)(dian)(dian)壓只需(xu)65V~80V;用(yong)氬＋氫混合(he)氣(qi)做(zuo)離子氣(qi)時，電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)空(kong)載電(dian)(dian)(dian)(dian)壓需(xu)110V~120V.若無合(he)適的(de)專(zhuan)用(yong)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，可用(yong)兩(liang)臺普通直(zhi)流弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)串(chuan)聯使用(yong)。大電(dian)(dian)(dian)(dian)流等離子弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)都采用(yong)轉(zhuan)移型弧(hu)(hu)，用(yong)高(gao)頻(pin)引(yin)燃非(fei)轉(zhuan)移弧(hu)(hu)，然(ran)后轉(zhuan)移成轉(zhuan)移弧(hu)(hu)。因此，一般可以采用(yong)一臺焊(han)(han)(han)接電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，用(yong)串(chuan)接電(dian)(dian)(dian)(dian)阻的(de)方法向電(dian)(dian)(dian)(dian)極和水冷噴嘴回路(lu)提供產生非(fei)轉(zhuan)移弧(hu)(hu)所(suo)需(xu)要的(de)較低電(dian)(dian)(dian)(dian)流，見(jian)圖5-14a。
2. 引弧裝置
等(deng)離子弧(hu)(hu)焊的引弧(hu)(hu)裝置(zhi)與(yu)鎢極氬(ya)弧(hu)(hu)焊的引弧(hu)(hu)裝置(zhi)基本相同。
3. 控(kong)制系統
使用兩(liang)套電源時，需(xu)能分別調(diao)節非轉移弧和轉移弧的(de)電流，其(qi)余與鎢(wu)極氬弧焊類似。遇復雜情況，還需(xu)能控制離子氣(qi)的(de)遞增(zeng)和衰減(jian)。
4. 氣路(lu)和水路(lu)
等離(li)子弧(hu)焊供氣(qi)(qi)(qi)(qi)系統的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)路要(yao)比鎢極氬弧(hu)焊復雜，見圖(tu)5-15。等離(li)子弧(hu)焊如采(cai)用混(hun)氫混(hun)合氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)時，必(bi)須保證供氣(qi)(qi)(qi)(qi)系統中(zhong)不能漏氣(qi)(qi)(qi)(qi)，否則(ze)會有(you)(you)引起爆炸的(de)危險。在供氣(qi)(qi)(qi)(qi)系統中(zhong)，要(yao)有(you)(you)氣(qi)(qi)(qi)(qi)流匯流裝置進行均流，均勻地將(jiang)氣(qi)(qi)(qi)(qi)分配(pei)給各路氣(qi)(qi)(qi)(qi)路；還要(yao)有(you)(you)貯氣(qi)(qi)(qi)(qi)筒，對(dui)離(li)子氣(qi)(qi)(qi)(qi)進行緩沖(chong)。衰減氣(qi)(qi)(qi)(qi)閥(fa)對(dui)結束焊接時的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)流進行衰減。
等離子弧焊的水路與(yu)鎢極氬(ya)弧焊的水路相同。
5. 焊槍(qiang)
等(deng)離子弧(hu)焊槍(qiang)要比鎢極氬焊焊槍(qiang)復(fu)雜、精(jing)密得多，其中最主要的(de)部(bu)件是離子弧(hu)噴嘴和保證鎢極與等(deng)離子噴嘴同心的(de)裝(zhuang)置(zhi)。某型號300A等(deng)離子弧(hu)焊槍(qiang)結構(gou)見圖(tu)5-16。
三、等離子弧焊槍的噴嘴
等(deng)離子弧(hu)焊(han)槍的(de)噴嘴是產生等(deng)離子弧(hu)的(de)關鍵部件，它的(de)設計是否合理，對(dui)保證(zheng)等(deng)離子弧(hu)的(de)穩定、正常工作(zuo)以及(ji)焊(han)接質量(liang)具有(you)決定性作(zuo)用。
1. 噴(pen)嘴的主要(yao)結構(gou)參數（圖5-17)
a. 噴(pen)嘴孔徑d
噴嘴(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)d,它決定等離(li)子弧直徑(jing)(jing)的(de)大(da)小(xiao)。噴嘴(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)d決定了(le)應使(shi)用的(de)焊(han)接(jie)電流(liu)(liu)(liu)和(he)離(li)子氣流(liu)(liu)(liu)量(liang)，也可以依據(ju)焊(han)接(jie)電流(liu)(liu)(liu)和(he)離(li)子氣流(liu)(liu)(liu)量(liang)先擇(ze)噴嘴(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)d的(de)大(da)小(xiao)。總之(zhi)，d越大(da)則壓(ya)縮(suo)作用越小(xiao)，當d過于大(da)對(dui)則無(wu)壓(ya)縮(suo)效果；而d過小(xiao)時，則會引起雙弧（圖5-47),破壞(huai)了(le)等離(li)子弧的(de)穩定性(xing)。因此，對(dui)于給(gei)定的(de)d值，有一個合理的(de)焊(han)接(jie)電流(liu)(liu)(liu)使(shi)用范圍(wei)。表5-2列出了(le)常用的(de)某型號(hao)噴嘴(zui)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)d及其焊(han)接(jie)電流(liu)(liu)(liu)的(de)使(shi)用范圍(wei)，供參考。
b. 噴嘴孔長度L
當噴嘴(zui)孔(kong)徑d給定(ding)時(shi)，噴嘴(zui)孔(kong)長度（深度）L的增加，則壓縮(suo)作用加強。常以L/d表示噴嘴(zui)孔(kong)道(dao)壓縮(suo)特征，稱之(zhi)為(wei)孔(kong)道(dao)比(bi)（表5-3).
c. 錐角 α
錐角(jiao)α又稱壓(ya)(ya)縮角(jiao)，實(shi)際上它對(dui)(dui)等(deng)離(li)子弧(hu)壓(ya)(ya)縮狀態影響不(bu)大，特(te)別是當(dang)離(li)子氣流量較小，L/d較小時。但(dan)壓(ya)(ya)縮角(jiao)小時，能增強對(dui)(dui)電弧(hu)的壓(ya)(ya)縮作(zuo)用(yong)。一(yi)般應注意和(he)鎢(wu)極(ji)端部形狀相配合，以利于陰(yin)極(ji)斑點(dian)置(zhi)于鎢(wu)極(ji)頂端而(er)不(bu)上漂。常用(yong)的壓(ya)(ya)縮角(jiao)α值為60°~75°。
d. 壓(ya)縮通道(dao)的形狀
多數噴(pen)嘴(zui)(zui)采用圓柱形壓縮通道，但也有采用圓錐形、臺階圓柱形等擴散型噴(pen)嘴(zui)(zui)。這(zhe)類噴(pen)嘴(zui)(zui)降(jiang)低(di)了壓縮程度，有利于提(ti)高等離子弧的穩定(ding)性(xing)和(he)噴(pen)嘴(zui)(zui)使用壽命。擴散型噴(pen)嘴(zui)(zui)結構見圖5-18。
除了單(dan)孔型(xing)（圖(tu)5-17a)噴(pen)嘴(zui)外，還有(you)(you)多孔型(xing)噴(pen)嘴(zui)。例如，兩側帶(dai)有(you)(you)2個輔助小(xiao)孔的(de)焊接噴(pen)嘴(zui)（圖(tu)5-17b),可使(shi)等(deng)(deng)離子弧(hu)的(de)橫截(jie)面由圓形變為(wei)橢圓形，使(shi)熱(re)源有(you)(you)效功率密度提(ti)高(gao)，有(you)(you)利(li)(li)于(yu)(yu)進(jin)一步(bu)提(ti)高(gao)焊速和減小(xiao)焊縫及熱(re)影響區寬(kuan)度。四周帶(dai)有(you)(you)多個小(xiao)孔的(de)噴(pen)嘴(zui)（圖(tu)5-17c)可使(shi)等(deng)(deng)離子弧(hu)在噴(pen)嘴(zui)外得到二(er)次壓縮(suo)，用于(yu)(yu)切(qie)割，有(you)(you)利(li)(li)于(yu)(yu)進(jin)一步(bu)提(ti)高(gao)等(deng)(deng)離子弧(hu)挺度及切(qie)口質量；但過(guo)多的(de)小(xiao)孔易受金屬飛濺物堵塞而失(shi)去其有(you)(you)利(li)(li)作用并(bing)造成不利(li)(li)的(de)等(deng)(deng)離子弧(hu)偏轉，因此(ci)并(bing)未得到廣泛(fan)應用。
2. 噴嘴的材料和冷卻
等離(li)子(zi)弧焊的(de)噴(pen)嘴應(ying)(ying)采(cai)用(yong)導熱性良好的(de)紫銅制成，大(da)功率(lv)（電流(liu)）噴(pen)嘴還必須采(cai)用(yong)直接水(shui)冷(leng)(leng)，并(bing)保證冷(leng)(leng)卻(que)水(shui)有足夠的(de)流(liu)量和(he)壓力(li)，最(zui)好配備專用(yong)高(gao)壓冷(leng)(leng)卻(que)裝置。大(da)功率(lv)等離(li)子(zi)弧焊槍應(ying)(ying)采(cai)用(yong)循(xun)環(huan)的(de)高(gao)壓蒸餾水(shui)直接冷(leng)(leng)卻(que)槍體(ti)，冷(leng)(leng)卻(que)水(shui)再(zai)經熱交換器(qi)散(san)熱后(hou)循(xun)環(huan)使用(yong)。為了提高(gao)冷(leng)(leng)卻(que)效果，噴(pen)嘴的(de)壁厚(hou)一般在(zai)2mm~2.5mm之間。
