等離子弧焊通常由用 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(hu)的特性
1. 靜態特(te)性
等離子弧的靜(jing)態特性仍然呈U型(xing)曲線(xian)，但具(ju)有以下特點：
a. 由(you)于冷壁噴嘴的拘(ju)束作用使弧(hu)柱(zhu)橫截面(mian)積(ji)受(shou)到限制，弧(hu)柱(zhu)電(dian)場強度(du)增大(da)，電(dian)弧(hu)電(dian)壓(ya)明顯提高，U型特性(xing)的平(ping)直區較自由(you)電(dian)弧(hu)明顯縮小。
b. 拘束孔道的尺寸和形狀對靜特性(xing)有明顯(xian)的影響，噴嘴(zui)孔徑越(yue)小，U型特性(xing)平(ping)直區域就越(yue)小，上升段斜率增大，即弧柱(zhu)電場強度(du)增大。
c. 離(li)子(zi)氣(qi)(qi)的(de)種類和流量不同時，弧柱的(de)電場強(qiang)度將(jiang)有明顯變化。因(yin)此，用于等離(li)子(zi)弧焊(han)的(de)電源空(kong)載電壓應按所(suo)用等離(li)子(zi)氣(qi)(qi)種類而定。
d. 如果采用聯合型等(deng)(deng)離子(zi)弧，轉移(yi)弧U型特性下降區段斜率明顯減小，這(zhe)是由于非轉移(yi)弧的存在(zai)為轉移(yi)弧提供了導電(dian)通(tong)路之(zhi)故。因此小電(dian)流微束等(deng)(deng)離子(zi)弧常(chang)采用混合型弧，以提高其穩定性。
2. 熱源(yuan)特(te)性
a. 溫(wen)度(du)和能量密度(du)
等離子(zi)弧的弧柱溫(wen)度(du)(du)高，能量密度(du)(du)大。從圖5-9和(he)圖5-10可(ke)以看出，等離子(zi)弧對焊件加熱集(ji)中，熔透力(li)強，焊接(jie)時(shi)速度(du)(du)要比氬(ya)弧焊快得(de)多，從而可(ke)提(ti)高焊接(jie)生產(chan)效率。普通鎢(wu)極(ji)氬(ya)弧的最高溫(wen)度(du)(du)為10000K~24000K,能量密度(du)(du)小(xiao)于10kW/c㎡;而等離子(zi)弧的溫(wen)度(du)(du)可(ke)高達24000K~50000K,能量密度(du)(du)可(ke)達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.
因此，等離子(zi)弧焊(han)的焊(han)縫(feng)截(jie)面形狀較窄(zhai)，深寬比大(da)，無疑焊(han)件變形就小(xiao)。等離子(zi)弧焊(han)和(he)鎢極氬弧焊(han)深寬比比較見圖5-11。
等(deng)離子弧溫度和能量密度高的原因是：
①. 水(shui)冷噴(pen)嘴孔(kong)徑限定了弧柱橫截面積不能自由擴大，這種拘(ju)束(shu)作用稱為機械壓縮作用。
②. 噴(pen)嘴(zui)水冷(leng)作(zuo)用使(shi)靠近噴(pen)嘴(zui)內壁(bi)的(de)氣體也受(shou)到(dao)強烈的(de)冷(leng)卻作(zuo)用，并且(qie)溫度(du)(du)(du)和(he)電(dian)(dian)離(li)度(du)(du)(du)均迅速下降，迫使(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)(zhu)(zhu)區(qu)電(dian)(dian)流集中到(dao)弧(hu)(hu)柱(zhu)(zhu)(zhu)中心的(de)高(gao)溫高(gao)電(dian)(dian)離(li)度(du)(du)(du)區(qu)。這樣(yang)由(you)于冷(leng)壁(bi)而在弧(hu)(hu)柱(zhu)(zhu)(zhu)四(si)周產生(sheng)一層電(dian)(dian)離(li)度(du)(du)(du)趨近于零的(de)冷(leng)氣膜，從而使(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)(zhu)(zhu)有效(xiao)橫截面進(jin)(jin)一步減小，電(dian)(dian)流密(mi)度(du)(du)(du)進(jin)(jin)一步提高(gao)。這種使(shi)弧(hu)(hu)柱(zhu)(zhu)(zhu)溫度(du)(du)(du)和(he)能量密(mi)度(du)(du)(du)提高(gao)的(de)作(zuo)用通常又稱為熱收(shou)縮效(xiao)應。
③. 由(you)于以上(shang)兩個收縮(suo)效應的(de)存在，弧柱電(dian)流密度增大以后，弧柱電(dian)流線之(zhi)間的(de)電(dian)磁收縮(suo)作用也進(jin)一步增強，致使弧柱溫度和能量密度進(jin)一步提(ti)高。以上(shang)3個因素(su)中，噴嘴機械拘束是前(qian)提(ti)條件，而(er)熱(re)收縮(suo)則是最本質的(de)原因。
等離(li)(li)(li)子弧(hu)溫度和能(neng)量密度的顯(xian)著(zhu)提高(gao)，弧(hu)柱(zhu)(zhu)近似于圓(yuan)柱(zhu)(zhu)形，使等離(li)(li)(li)子弧(hu)的穩定性和挺直度變得更好。自由電(dian)弧(hu)（如(ru)鎢極氬弧(hu)焊）的擴(kuo)散角(jiao)約為45°,等離(li)(li)(li)子弧(hu)擴(kuo)散角(jiao)約為5°(圖5-12),這是(shi)因為壓縮后(hou)從(cong)噴(pen)嘴口噴(pen)射出(chu)的等離(li)(li)(li)子弧(hu)帶電(dian)質點運動速度明顯(xian)提高(gao)所(suo)致，速度最高(gao)可達300m/s(跟噴(pen)嘴結構、離(li)(li)(li)子氣種類(lei)和流量有(you)關）。
圖5-13是等離子弧焊(han)和(he)鎢(wu)極氬(ya)弧焊(han)時(shi)，弧長(chang)(chang)波動時(shi)對焊(han)縫熔深(shen)的(de)(de)影(ying)(ying)響。當(dang)等離子弧長(chang)(chang)（實(shi)際(ji)上(shang)是噴嘴(zui)端面到焊(han)件表面的(de)(de)距離）從3mm增大到8mm時(shi)，對焊(han)縫熔深(shen)幾乎(hu)不(bu)產生影(ying)(ying)響；而鎢(wu)極氬(ya)弧孤長(chang)(chang)從1.5mm增大到2.5mm時(shi)，焊(han)縫的(de)(de)熔深(shen)就明顯(xian)下降。
b. 熱源成分
普通鎢極(ji)氬弧(hu)焊(han)中(zhong)，加熱(re)(re)(re)焊(han)件的(de)熱(re)(re)(re)量主(zhu)要來源于陽(yang)極(ji)斑點(dian)，弧(hu)柱輻射熱(re)(re)(re)和(he)傳導熱(re)(re)(re)僅起輔(fu)助作用。在等離子弧(hu)焊(han)中(zhong)，情況則有變化，弧(hu)柱高速等離子體(ti)通過接觸傳導和(he)輻射帶給焊(han)件的(de)熱(re)(re)(re)量明顯(xian)增加，甚至可能(neng)成為主(zhu)要的(de)熱(re)(re)(re)量來源，而陽(yang)極(ji)熱(re)(re)(re)則降(jiang)為次要地位。
3. 等離子弧的基本(ben)形(xing)式
等(deng)離子弧按電源的(de)接法和(he)產生形式(shi)的(de)不同，可分為轉(zhuan)移型、非轉(zhuan)移型和(he)聯合型3種基本(ben)形式(shi)，如(ru)圖5-14所示。
a. 轉移型(xing)等離子弧
等離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)是在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)工(gong)(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)燃燒(shao)，但由(you)于(yu)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)內縮(suo)于(yu)等離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)噴(pen)嘴(zui)內，難(nan)以(yi)直接形(xing)成(cheng)等離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)，所以(yi)必須(xu)先在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)水(shui)(shui)冷噴(pen)嘴(zui)之(zhi)間(jian)引燃電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)（水(shui)(shui)冷噴(pen)嘴(zui)既(ji)是電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)一極(ji)(ji)(ji)(ji)，又(you)起著冷壁拘束電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)作用(yong)），再轉(zhuan)移(yi)為(wei)(wei)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)在(zai)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)與工(gong)(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)燃燒(shao)。這種借(jie)助(zhu)于(yu)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)與水(shui)(shui)冷噴(pen)嘴(zui)再轉(zhuan)移(yi)為(wei)(wei)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)與工(gong)(gong)(gong)件(jian)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)稱為(wei)(wei)轉(zhuan)移(yi)弧(hu)(hu)(hu)（圖5-14a).由(you)于(yu)轉(zhuan)移(yi)型(xing)(xing)等離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)的(de)陽極(ji)(ji)(ji)(ji)斑點處于(yu)工(gong)(gong)(gong)件(jian)上，直接加熱工(gong)(gong)(gong)件(jian)，使電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)熱量的(de)有效利(li)用(yong)率提(ti)高，同(tong)時轉(zhuan)移(yi)型(xing)(xing)等離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)具(ju)有很高的(de)動能和(he)沖擊力，特別適(shi)合于(yu)焊接。
b. 非轉(zhuan)移型等離子弧
電(dian)源(yuan)接(jie)(jie)于電(dian)極(ji)(ji)和噴嘴(zui)(zui)之間(jian)，工件不接(jie)(jie)入(ru)焊接(jie)(jie)回路，鎢極(ji)(ji)為(wei)陰極(ji)(ji)，噴嘴(zui)(zui)為(wei)陽(yang)極(ji)(ji)，等(deng)離(li)子弧(hu)在電(dian)極(ji)(ji)和水(shui)冷噴嘴(zui)(zui)之間(jian)引燃電(dian)弧(hu)（水(shui)冷噴嘴(zui)(zui)既是電(dian)弧(hu)的(de)(de)一極(ji)(ji)，又起著冷壁拘束電(dian)弧(hu)的(de)(de)作用）噴出，形(xing)成的(de)(de)等(deng)離(li)子弧(hu)稱為(wei)非轉移型等(deng)離(li)子弧(hu)，又叫等(deng)離(li)子焰(yan)，見(jian)圖5-14b。
因為非(fei)轉(zhuan)移(yi)型等(deng)離(li)子(zi)弧對(dui)工件的(de)加熱是間接(jie)的(de)，傳到工件上的(de)熱量較少，只適用于焊接(jie)薄板和等(deng)離(li)子(zi)噴涂，這里就不再詳細介紹。
c. 聯(lian)合型等(deng)離子弧
轉移型(xing)等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)和非(fei)轉移型(xing)等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)同時存在的等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)，稱(cheng)為聯(lian)合型(xing)等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)，如圖5-14c所(suo)示。這種等(deng)離(li)子(zi)弧(hu)(hu)焊很少采用，這里就(jiu)不再詳(xiang)細介紹。
二、等離子弧(hu)焊(han)設(she)備
1. 焊接電源
具有下(xia)降(jiang)或垂直陡降(jiang)特性的(de)直流(liu)(liu)電(dian)(dian)源（與鎢極氬(ya)弧(hu)(hu)(hu)(hu)焊(han)的(de)電(dian)(dian)源相(xiang)同）都可(ke)供等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)焊(han)使(shi)用(yong)(yong)。用(yong)(yong)純氬(ya)氣做(zuo)(zuo)離子(zi)氣時(shi)，電(dian)(dian)源空載電(dian)(dian)壓只需(xu)65V~80V;用(yong)(yong)氬(ya)＋氫混合(he)氣做(zuo)(zuo)離子(zi)氣時(shi)，電(dian)(dian)源空載電(dian)(dian)壓需(xu)110V~120V.若(ruo)無(wu)合(he)適的(de)專用(yong)(yong)電(dian)(dian)源，可(ke)用(yong)(yong)兩臺(tai)普通直流(liu)(liu)弧(hu)(hu)(hu)(hu)焊(han)電(dian)(dian)源串(chuan)聯使(shi)用(yong)(yong)。大(da)電(dian)(dian)流(liu)(liu)等(deng)離子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)焊(han)都采用(yong)(yong)轉移(yi)型弧(hu)(hu)(hu)(hu)，用(yong)(yong)高頻引燃(ran)非轉移(yi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)，然后轉移(yi)成(cheng)轉移(yi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)。因此，一(yi)般可(ke)以采用(yong)(yong)一(yi)臺(tai)焊(han)接(jie)電(dian)(dian)源，用(yong)(yong)串(chuan)接(jie)電(dian)(dian)阻的(de)方法向電(dian)(dian)極和水冷噴嘴(zui)回路提供產(chan)生非轉移(yi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)所(suo)需(xu)要的(de)較低電(dian)(dian)流(liu)(liu)，見圖5-14a。
2. 引弧裝置
等離子弧焊的(de)引(yin)弧裝(zhuang)置與鎢(wu)極(ji)氬弧焊的(de)引(yin)弧裝(zhuang)置基本相同。
3. 控(kong)制系統
使(shi)用(yong)兩套電源(yuan)時，需(xu)能分別調節非轉移弧和(he)轉移弧的電流，其余與(yu)鎢極氬弧焊類似。遇(yu)復雜情況，還(huan)需(xu)能控制離子氣的遞增和(he)衰減(jian)。
4. 氣路和水路
等離(li)子(zi)弧焊(han)供氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)的(de)氣(qi)(qi)(qi)路(lu)要比鎢極氬弧焊(han)復雜，見圖5-15。等離(li)子(zi)弧焊(han)如采用混氫混合氣(qi)(qi)(qi)體(ti)時(shi)，必須保(bao)證供氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)中不能漏氣(qi)(qi)(qi)，否則會有引(yin)起爆(bao)炸的(de)危險。在供氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)中，要有氣(qi)(qi)(qi)流匯(hui)流裝(zhuang)置進行(xing)均流，均勻地將氣(qi)(qi)(qi)分配給(gei)各(ge)路(lu)氣(qi)(qi)(qi)路(lu)；還(huan)要有貯氣(qi)(qi)(qi)筒(tong)，對(dui)離(li)子(zi)氣(qi)(qi)(qi)進行(xing)緩沖。衰減(jian)氣(qi)(qi)(qi)閥對(dui)結束(shu)焊(han)接時(shi)的(de)氣(qi)(qi)(qi)流進行(xing)衰減(jian)。
等離子弧(hu)焊的(de)水路(lu)與鎢極(ji)氬弧(hu)焊的(de)水路(lu)相同。
5. 焊槍
等離子(zi)(zi)(zi)弧焊槍要(yao)比鎢極(ji)氬焊焊槍復雜(za)、精密得多，其中最主(zhu)要(yao)的部件是離子(zi)(zi)(zi)弧噴嘴和保證鎢極(ji)與等離子(zi)(zi)(zi)噴嘴同心的裝(zhuang)置。某型號(hao)300A等離子(zi)(zi)(zi)弧焊槍結構見圖5-16。
三、等離子(zi)弧焊槍的噴嘴
等離子(zi)弧焊槍的(de)噴嘴是(shi)產生等離子(zi)弧的(de)關(guan)鍵部件，它的(de)設計是(shi)否合理(li)，對保證等離子(zi)弧的(de)穩定、正(zheng)常(chang)工作(zuo)以(yi)及焊接質量具(ju)有(you)決定性作(zuo)用。
1. 噴嘴的(de)主要(yao)結構(gou)參數（圖5-17)
a. 噴嘴孔徑d
噴(pen)嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d,它決定等(deng)離(li)(li)子弧(hu)直徑(jing)(jing)的(de)大(da)(da)小(xiao)。噴(pen)嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d決定了應使用(yong)的(de)焊接(jie)(jie)電(dian)(dian)流(liu)和(he)離(li)(li)子氣流(liu)量，也可以依據焊接(jie)(jie)電(dian)(dian)流(liu)和(he)離(li)(li)子氣流(liu)量先(xian)擇噴(pen)嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d的(de)大(da)(da)小(xiao)。總之(zhi)，d越大(da)(da)則(ze)壓縮作用(yong)越小(xiao)，當d過于大(da)(da)對則(ze)無壓縮效果；而(er)d過小(xiao)時，則(ze)會引起雙弧(hu)（圖5-47),破壞了等(deng)離(li)(li)子弧(hu)的(de)穩定性。因(yin)此，對于給(gei)定的(de)d值，有一個合理的(de)焊接(jie)(jie)電(dian)(dian)流(liu)使用(yong)范圍。表5-2列出了常用(yong)的(de)某型(xing)號噴(pen)嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d及其焊接(jie)(jie)電(dian)(dian)流(liu)的(de)使用(yong)范圍，供參考。
b. 噴嘴孔長度L
當噴嘴(zui)孔(kong)(kong)徑d給(gei)定時(shi)，噴嘴(zui)孔(kong)(kong)長度（深(shen)度）L的增(zeng)加，則壓縮作用(yong)加強(qiang)。常(chang)以L/d表(biao)示噴嘴(zui)孔(kong)(kong)道(dao)壓縮特征，稱之(zhi)為孔(kong)(kong)道(dao)比（表(biao)5-3).
c. 錐角 α
錐角(jiao)(jiao)(jiao)α又稱壓(ya)縮(suo)(suo)角(jiao)(jiao)(jiao)，實(shi)際上(shang)它對(dui)等離子(zi)弧(hu)壓(ya)縮(suo)(suo)狀態影響不大，特別是當離子(zi)氣流(liu)量較小(xiao)，L/d較小(xiao)時。但(dan)壓(ya)縮(suo)(suo)角(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)時，能增強(qiang)對(dui)電弧(hu)的壓(ya)縮(suo)(suo)作用(yong)。一般應注意和鎢極端部形狀相配合(he)，以利于陰(yin)極斑(ban)點置于鎢極頂端而(er)不上(shang)漂。常用(yong)的壓(ya)縮(suo)(suo)角(jiao)(jiao)(jiao)α值為60°~75°。
d. 壓縮通道的形狀
多數噴(pen)嘴采(cai)用(yong)(yong)圓(yuan)柱形壓(ya)縮(suo)通道，但(dan)也有(you)采(cai)用(yong)(yong)圓(yuan)錐形、臺階圓(yuan)柱形等擴散型噴(pen)嘴。這(zhe)類(lei)噴(pen)嘴降低了(le)壓(ya)縮(suo)程度，有(you)利于提高等離子弧(hu)的(de)穩(wen)定性(xing)和噴(pen)嘴使用(yong)(yong)壽命(ming)。擴散型噴(pen)嘴結構見圖5-18。
除(chu)了(le)單孔型（圖5-17a)噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)外，還有多(duo)(duo)孔型噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)。例如，兩側(ce)帶有2個輔助小(xiao)孔的(de)(de)焊接噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)（圖5-17b),可使(shi)等離子(zi)弧(hu)(hu)的(de)(de)橫截面由(you)圓形(xing)變為橢(tuo)圓形(xing)，使(shi)熱源有效功率密度(du)提(ti)(ti)高，有利于進一步提(ti)(ti)高焊速和減小(xiao)焊縫及(ji)熱影響區寬度(du)。四周帶有多(duo)(duo)個小(xiao)孔的(de)(de)噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)（圖5-17c)可使(shi)等離子(zi)弧(hu)(hu)在噴(pen)(pen)嘴(zui)(zui)(zui)外得(de)到二(er)次壓縮，用于切割，有利于進一步提(ti)(ti)高等離子(zi)弧(hu)(hu)挺度(du)及(ji)切口質量；但過多(duo)(duo)的(de)(de)小(xiao)孔易受金屬飛濺物堵塞而失(shi)去(qu)其(qi)有利作用并造成不利的(de)(de)等離子(zi)弧(hu)(hu)偏轉(zhuan)，因(yin)此(ci)并未得(de)到廣泛應用。
2. 噴嘴(zui)的(de)材料和冷卻(que)
等離子弧焊的噴嘴應(ying)采(cai)用導熱性良好(hao)的紫銅制成(cheng)，大(da)功率（電流）噴嘴還必須采(cai)用直(zhi)接水(shui)冷，并保證冷卻水(shui)有足夠的流量和壓(ya)力，最(zui)好(hao)配(pei)備專用高壓(ya)冷卻裝(zhuang)置。大(da)功率等離子弧焊槍(qiang)應(ying)采(cai)用循(xun)環(huan)的高壓(ya)蒸餾水(shui)直(zhi)接冷卻槍(qiang)體，冷卻水(shui)再經熱交換器散(san)熱后循(xun)環(huan)使用。為了(le)提高冷卻效果(guo)，噴嘴的壁厚一(yi)般在2mm~2.5mm之間(jian)。
