等離(li)子(zi)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(deng)離子弧的特(te)性

1. 靜態特性

 等離子弧的靜態特性仍然呈(cheng)U型曲線，但具(ju)有(you)以(yi)下特點(dian)：

  a. 由于(yu)冷(leng)壁噴嘴的(de)拘束作(zuo)用使弧(hu)柱橫截面積受到限(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. 拘束孔道的尺(chi)寸和形狀對靜特性(xing)有明顯的影響(xiang)，噴嘴孔徑越小，U型特性(xing)平直區域就越小，上升段(duan)斜率增(zeng)大(da)，即(ji)弧(hu)柱電場強度(du)增(zeng)大(da)。

  c. 離(li)子氣的(de)種類和(he)流(liu)量不(bu)同時(shi)，弧柱的(de)電(dian)(dian)場強(qiang)度將(jiang)有明顯變(bian)化。因此，用(yong)于等離(li)子弧焊的(de)電(dian)(dian)源空載電(dian)(dian)壓應按所(suo)用(yong)等離(li)子氣種類而定。

  d. 如果采用聯合(he)型等離子弧，轉(zhuan)移弧U型特性(xing)下(xia)降區(qu)段斜率明顯減小，這是由于非(fei)轉(zhuan)移弧的存在為轉(zhuan)移弧提(ti)(ti)供了導電(dian)通路之故。因此小電(dian)流微束等離子弧常采用混合(he)型弧，以(yi)提(ti)(ti)高(gao)其穩定性(xing)。

2. 熱源特性

  a. 溫(wen)度和能量密度

   等離子弧(hu)的弧(hu)柱溫度(du)(du)(du)高(gao)，能量(liang)密度(du)(du)(du)大。從圖5-9和圖5-10可(ke)以看出，等離子弧(hu)對焊件加熱集中(zhong)，熔透(tou)力強，焊接(jie)(jie)時速(su)度(du)(du)(du)要比氬弧(hu)焊快(kuai)得(de)多(duo)，從而可(ke)提高(gao)焊接(jie)(jie)生(sheng)產效率。普通鎢極氬弧(hu)的最高(gao)溫度(du)(du)(du)為10000K~24000K,能量(liang)密度(du)(du)(du)小(xiao)于10kW/c㎡;而等離子弧(hu)的溫度(du)(du)(du)可(ke)高(gao)達(da)24000K~50000K,能量(liang)密度(du)(du)(du)可(ke)達(da)100kW/c㎡~1000kW/c㎡.

   因此，等(deng)離子弧焊(han)的焊(han)縫截面形(xing)狀(zhuang)較窄，深寬比(bi)大，無疑焊(han)件(jian)變形(xing)就小。等(deng)離子弧焊(han)和鎢極氬弧焊(han)深寬比(bi)比(bi)較見(jian)圖5-11。

  等離子弧(hu)溫(wen)度(du)和能量密(mi)度(du)高(gao)的原因是(shi)：

   ①. 水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴孔徑限(xian)定了弧(hu)柱(zhu)橫截面積不能自由擴大，這(zhe)種拘束作(zuo)用稱為機械壓(ya)縮(suo)作(zuo)用。

   ②. 噴嘴水冷(leng)作用(yong)使(shi)靠近噴嘴內壁的氣(qi)體也受到(dao)強烈的冷(leng)卻作用(yong)，并且溫度(du)和電(dian)(dian)離(li)度(du)均迅速下降(jiang)，迫(po)使(shi)弧柱(zhu)(zhu)(zhu)區電(dian)(dian)流(liu)(liu)集中到(dao)弧柱(zhu)(zhu)(zhu)中心(xin)的高溫高電(dian)(dian)離(li)度(du)區。這樣由(you)于冷(leng)壁而(er)在弧柱(zhu)(zhu)(zhu)四(si)周產(chan)生一(yi)層(ceng)電(dian)(dian)離(li)度(du)趨近于零的冷(leng)氣(qi)膜，從而(er)使(shi)弧柱(zhu)(zhu)(zhu)有效橫截面(mian)進(jin)(jin)一(yi)步(bu)減小，電(dian)(dian)流(liu)(liu)密(mi)度(du)進(jin)(jin)一(yi)步(bu)提高。這種使(shi)弧柱(zhu)(zhu)(zhu)溫度(du)和能量密(mi)度(du)提高的作用(yong)通常(chang)又(you)稱為熱(re)收縮效應(ying)。

  ③. 由于以(yi)上兩個收縮(suo)效應的存(cun)在(zai)，弧柱(zhu)電流密(mi)度增大以(yi)后(hou)，弧柱(zhu)電流線之間的電磁收縮(suo)作(zuo)用也進一(yi)步增強，致使弧柱(zhu)溫度和能(neng)量密(mi)度進一(yi)步提(ti)高。以(yi)上3個因(yin)素中，噴嘴機械拘束是(shi)前(qian)提(ti)條件，而熱收縮(suo)則是(shi)最本質(zhi)的原因(yin)。

  等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)溫度(du)和能(neng)量(liang)密度(du)的(de)顯著提(ti)高，弧(hu)(hu)柱(zhu)近似(si)于圓(yuan)柱(zhu)形，使等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)的(de)穩定(ding)性(xing)和挺直度(du)變得更好。自由電(dian)弧(hu)(hu)（如鎢(wu)極氬弧(hu)(hu)焊）的(de)擴散角(jiao)約為(wei)45°,等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)擴散角(jiao)約為(wei)5°(圖(tu)5-12),這是因為(wei)壓縮后從噴(pen)嘴口噴(pen)射出的(de)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧(hu)(hu)帶電(dian)質(zhi)點(dian)運(yun)動速(su)(su)度(du)明顯提(ti)高所致，速(su)(su)度(du)最高可達300m/s(跟噴(pen)嘴結構、離(li)(li)子(zi)氣種類和流量(liang)有關）。

  圖5-13是等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)焊(han)和鎢(wu)極氬弧(hu)(hu)(hu)(hu)焊(han)時(shi)，弧(hu)(hu)(hu)(hu)長(chang)波(bo)動時(shi)對(dui)焊(han)縫(feng)熔深(shen)的(de)影響(xiang)。當(dang)等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)(hu)長(chang)（實際上(shang)是噴嘴端面(mian)到焊(han)件(jian)表面(mian)的(de)距(ju)離(li)）從(cong)3mm增大到8mm時(shi)，對(dui)焊(han)縫(feng)熔深(shen)幾乎(hu)不產生影響(xiang)；而鎢(wu)極氬弧(hu)(hu)(hu)(hu)孤長(chang)從(cong)1.5mm增大到2.5mm時(shi)，焊(han)縫(feng)的(de)熔深(shen)就明顯下降。

 b. 熱源成分

  普通(tong)鎢(wu)極(ji)氬弧(hu)焊(han)中，加(jia)熱(re)焊(han)件(jian)的(de)熱(re)量(liang)(liang)主要來(lai)源(yuan)于陽極(ji)斑點，弧(hu)柱(zhu)輻(fu)射熱(re)和傳導熱(re)僅起輔助(zhu)作用。在(zai)等離(li)子弧(hu)焊(han)中，情況(kuang)則(ze)有(you)變化(hua)，弧(hu)柱(zhu)高速等離(li)子體通(tong)過接觸傳導和輻(fu)射帶給焊(han)件(jian)的(de)熱(re)量(liang)(liang)明顯增加(jia)，甚至可能成為主要的(de)熱(re)量(liang)(liang)來(lai)源(yuan)，而陽極(ji)熱(re)則(ze)降為次要地位(wei)。

3. 等離子(zi)弧的基(ji)本(ben)形式(shi)

 等(deng)離子(zi)弧(hu)按(an)電源的(de)接法和(he)產生形式(shi)的(de)不同，可分(fen)為轉(zhuan)移(yi)型(xing)、非轉(zhuan)移(yi)型(xing)和(he)聯合型(xing)3種基(ji)本(ben)形式(shi)，如圖5-14所(suo)示。

  a. 轉移型等離子(zi)弧

  等(deng)(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)是在(zai)電(dian)極(ji)(ji)和工(gong)件(jian)之間(jian)燃(ran)燒，但由于(yu)電(dian)極(ji)(ji)內縮于(yu)等(deng)(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)噴(pen)嘴內，難以直(zhi)接(jie)形成等(deng)(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)，所(suo)以必須(xu)先(xian)在(zai)電(dian)極(ji)(ji)和水冷噴(pen)嘴之間(jian)引燃(ran)電(dian)弧(hu)(hu)（水冷噴(pen)嘴既是電(dian)弧(hu)(hu)的一極(ji)(ji)，又起著(zhu)冷壁拘束電(dian)弧(hu)(hu)的作用(yong)(yong)），再(zai)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)為(wei)電(dian)弧(hu)(hu)在(zai)電(dian)極(ji)(ji)與(yu)工(gong)件(jian)之間(jian)燃(ran)燒。這種借助(zhu)于(yu)電(dian)極(ji)(ji)與(yu)水冷噴(pen)嘴再(zai)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)為(wei)電(dian)極(ji)(ji)與(yu)工(gong)件(jian)之間(jian)的電(dian)弧(hu)(hu)稱為(wei)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)弧(hu)(hu)（圖(tu)5-14a).由于(yu)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)型等(deng)(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)的陽極(ji)(ji)斑點處于(yu)工(gong)件(jian)上(shang)，直(zhi)接(jie)加熱工(gong)件(jian)，使電(dian)弧(hu)(hu)熱量的有效(xiao)利用(yong)(yong)率提高，同時轉(zhuan)(zhuan)移(yi)型等(deng)(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)具有很高的動能(neng)和沖擊(ji)力(li)，特別適合于(yu)焊接(jie)。

  b. 非轉移型等(deng)離子(zi)弧(hu)

  電(dian)(dian)源(yuan)接(jie)于電(dian)(dian)極(ji)和(he)噴(pen)嘴(zui)之間，工件(jian)不(bu)接(jie)入焊接(jie)回路，鎢極(ji)為陰極(ji)，噴(pen)嘴(zui)為陽極(ji)，等離(li)子(zi)弧(hu)在電(dian)(dian)極(ji)和(he)水冷噴(pen)嘴(zui)之間引燃電(dian)(dian)弧(hu)（水冷噴(pen)嘴(zui)既是電(dian)(dian)弧(hu)的(de)一(yi)極(ji)，又起(qi)著冷壁拘束電(dian)(dian)弧(hu)的(de)作(zuo)用）噴(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)，又叫(jiao)等離(li)子(zi)焰，見(jian)圖(tu)5-14b。

  因為非轉移型等(deng)離子弧對工件的(de)加熱是(shi)間接(jie)的(de)，傳到工件上的(de)熱量(liang)較少，只(zhi)適用于焊接(jie)薄板(ban)和等(deng)離子噴涂，這(zhe)里就不再(zai)詳(xiang)細(xi)介紹。

 c. 聯合型等離子弧(hu)

 轉移型(xing)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧和(he)非(fei)轉移型(xing)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧同時存在的等(deng)離(li)(li)子(zi)弧，稱為聯合型(xing)等(deng)離(li)(li)子(zi)弧，如圖(tu)5-14c所示。這種等(deng)離(li)(li)子(zi)弧焊很(hen)少采用，這里(li)就(jiu)不再詳細介紹(shao)。

二、等(deng)離(li)子弧焊(han)設備(bei)

1. 焊接(jie)電源

具有(you)下降或(huo)垂直(zhi)陡降特性的直(zhi)流(liu)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)（與鎢極氬弧(hu)焊(han)(han)的電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)相同）都(dou)可(ke)供等離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)(han)使(shi)用(yong)(yong)(yong)。用(yong)(yong)(yong)純氬氣(qi)做(zuo)離(li)子(zi)氣(qi)時，電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)空(kong)載電(dian)(dian)(dian)壓只(zhi)需(xu)65V~80V;用(yong)(yong)(yong)氬＋氫混(hun)合(he)氣(qi)做(zuo)離(li)子(zi)氣(qi)時，電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)空(kong)載電(dian)(dian)(dian)壓需(xu)110V~120V.若無合(he)適(shi)的專用(yong)(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)，可(ke)用(yong)(yong)(yong)兩臺普(pu)通直(zhi)流(liu)弧(hu)焊(han)(han)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)串聯(lian)使(shi)用(yong)(yong)(yong)。大電(dian)(dian)(dian)流(liu)等離(li)子(zi)弧(hu)焊(han)(han)都(dou)采用(yong)(yong)(yong)轉(zhuan)移型弧(hu)，用(yong)(yong)(yong)高頻(pin)引(yin)燃(ran)非轉(zhuan)移弧(hu)，然(ran)后轉(zhuan)移成轉(zhuan)移弧(hu)。因此(ci)，一般(ban)可(ke)以采用(yong)(yong)(yong)一臺焊(han)(han)接(jie)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)，用(yong)(yong)(yong)串接(jie)電(dian)(dian)(dian)阻的方法(fa)向電(dian)(dian)(dian)極和(he)水冷噴(pen)嘴回路提供產生非轉(zhuan)移弧(hu)所需(xu)要的較低電(dian)(dian)(dian)流(liu)，見圖5-14a。

2. 引(yin)弧裝置

 等離子弧焊的(de)引弧裝置(zhi)與鎢極氬弧焊的(de)引弧裝置(zhi)基本相同。

3. 控制系統

使用兩套電(dian)源時，需(xu)能分別調節非(fei)轉(zhuan)移(yi)弧(hu)(hu)和(he)轉(zhuan)移(yi)弧(hu)(hu)的電(dian)流，其余與鎢極氬弧(hu)(hu)焊類似。遇(yu)復雜(za)情況，還需(xu)能控制離(li)子氣的遞增和(he)衰(shuai)減。

4. 氣路和水路

 等(deng)離(li)子(zi)弧焊(han)供(gong)氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)的氣(qi)(qi)(qi)路(lu)要(yao)比鎢極氬弧焊(han)復雜，見(jian)圖(tu)5-15。等(deng)離(li)子(zi)弧焊(han)如采用混氫混合(he)氣(qi)(qi)(qi)體時，必須(xu)保證(zheng)供(gong)氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)中不能漏氣(qi)(qi)(qi)，否(fou)則會有引起爆炸的危險。在供(gong)氣(qi)(qi)(qi)系(xi)統(tong)中，要(yao)有氣(qi)(qi)(qi)流匯流裝置進行(xing)均流，均勻地將氣(qi)(qi)(qi)分配給各路(lu)氣(qi)(qi)(qi)路(lu)；還要(yao)有貯(zhu)氣(qi)(qi)(qi)筒(tong)，對離(li)子(zi)氣(qi)(qi)(qi)進行(xing)緩沖。衰(shuai)(shuai)減氣(qi)(qi)(qi)閥對結束焊(han)接(jie)時的氣(qi)(qi)(qi)流進行(xing)衰(shuai)(shuai)減。

 等離子弧焊的水(shui)(shui)路(lu)(lu)與(yu)鎢極(ji)氬(ya)弧焊的水(shui)(shui)路(lu)(lu)相同。

5. 焊槍

 等離(li)子弧(hu)焊槍(qiang)(qiang)要比鎢極氬焊焊槍(qiang)(qiang)復雜、精(jing)密(mi)得(de)多，其中最主要的部(bu)件是離(li)子弧(hu)噴嘴和保(bao)證鎢極與等離(li)子噴嘴同心(xin)的裝置。某型號300A等離(li)子弧(hu)焊槍(qiang)(qiang)結構見圖5-16。

三、等離(li)子弧焊槍(qiang)的噴嘴(zui)

 等離(li)子(zi)弧焊槍的(de)噴嘴是產生等離(li)子(zi)弧的(de)關鍵部件，它的(de)設計是否合理，對保證(zheng)等離(li)子(zi)弧的(de)穩(wen)定、正常工(gong)作以及焊接質量具(ju)有決(jue)定性作用(yong)。

1. 噴嘴的(de)主要結構(gou)參數（圖5-17)

  a. 噴(pen)嘴孔徑d

   噴(pen)嘴孔(kong)徑(jing)d,它決定(ding)(ding)等離(li)子弧直徑(jing)的(de)(de)大(da)小。噴(pen)嘴孔(kong)徑(jing)d決定(ding)(ding)了(le)(le)應使用的(de)(de)焊(han)接(jie)電(dian)流和離(li)子氣流量(liang)，也可以依據(ju)焊(han)接(jie)電(dian)流和離(li)子氣流量(liang)先(xian)擇噴(pen)嘴孔(kong)徑(jing)d的(de)(de)大(da)小。總之，d越大(da)則(ze)壓(ya)縮(suo)作用越小，當d過(guo)于大(da)對(dui)(dui)則(ze)無壓(ya)縮(suo)效果；而d過(guo)小時，則(ze)會引起雙弧（圖5-47),破壞(huai)了(le)(le)等離(li)子弧的(de)(de)穩定(ding)(ding)性(xing)。因此，對(dui)(dui)于給(gei)定(ding)(ding)的(de)(de)d值(zhi)，有一個合理的(de)(de)焊(han)接(jie)電(dian)流使用范圍。表(biao)5-2列出了(le)(le)常用的(de)(de)某型號噴(pen)嘴孔(kong)徑(jing)d及其焊(han)接(jie)電(dian)流的(de)(de)使用范圍，供參考。

  b. 噴嘴孔長度(du)L

 當噴(pen)(pen)嘴(zui)孔(kong)(kong)徑d給定時，噴(pen)(pen)嘴(zui)孔(kong)(kong)長度(du)（深(shen)度(du)）L的增加(jia)，則壓縮作用加(jia)強(qiang)。常(chang)以L/d表示噴(pen)(pen)嘴(zui)孔(kong)(kong)道(dao)壓縮特征，稱之為孔(kong)(kong)道(dao)比(bi)（表5-3).

  c. 錐角 α

   錐角(jiao)α又稱(cheng)壓(ya)縮(suo)角(jiao)，實際上它對等離(li)子弧壓(ya)縮(suo)狀態(tai)影響不大，特別是當離(li)子氣流(liu)量較小(xiao)，L/d較小(xiao)時。但壓(ya)縮(suo)角(jiao)小(xiao)時，能增強對電(dian)弧的(de)(de)壓(ya)縮(suo)作用。一般應注意(yi)和(he)鎢(wu)極(ji)端(duan)部(bu)形狀相(xiang)配合，以利于陰極(ji)斑點置于鎢(wu)極(ji)頂端(duan)而不上漂(piao)。常用的(de)(de)壓(ya)縮(suo)角(jiao)α值為60°~75°。

 d. 壓縮通道的形狀

 多(duo)數噴(pen)(pen)嘴采用(yong)圓(yuan)柱形壓(ya)縮(suo)通道(dao)，但也有采用(yong)圓(yuan)錐(zhui)形、臺階(jie)圓(yuan)柱形等擴散型噴(pen)(pen)嘴。這類噴(pen)(pen)嘴降低了壓(ya)縮(suo)程度，有利(li)于提(ti)高(gao)等離子弧的穩定(ding)性和噴(pen)(pen)嘴使(shi)用(yong)壽命。擴散型噴(pen)(pen)嘴結構(gou)見圖5-18。

 除(chu)了(le)單孔(kong)型(xing)（圖(tu)5-17a)噴(pen)嘴(zui)外，還有(you)(you)多孔(kong)型(xing)噴(pen)嘴(zui)。例(li)如，兩側帶(dai)有(you)(you)2個(ge)輔助小(xiao)孔(kong)的焊(han)接噴(pen)嘴(zui)（圖(tu)5-17b),可使(shi)等(deng)離(li)子(zi)弧的橫截(jie)面由(you)圓(yuan)形變為橢圓(yuan)形，使(shi)熱源有(you)(you)效功率密度提高(gao)，有(you)(you)利(li)(li)(li)于進(jin)一(yi)步提高(gao)焊(han)速和減小(xiao)焊(han)縫及熱影響區寬(kuan)度。四周(zhou)帶(dai)有(you)(you)多個(ge)小(xiao)孔(kong)的噴(pen)嘴(zui)（圖(tu)5-17c)可使(shi)等(deng)離(li)子(zi)弧在(zai)噴(pen)嘴(zui)外得到(dao)二次壓縮，用于切割，有(you)(you)利(li)(li)(li)于進(jin)一(yi)步提高(gao)等(deng)離(li)子(zi)弧挺度及切口質量；但過多的小(xiao)孔(kong)易受金(jin)屬飛濺物堵塞(sai)而失(shi)去(qu)其有(you)(you)利(li)(li)(li)作用并(bing)造成不利(li)(li)(li)的等(deng)離(li)子(zi)弧偏(pian)轉，因此(ci)并(bing)未得到(dao)廣泛應用。

2. 噴嘴的材料和(he)冷(leng)卻

等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)焊的(de)噴(pen)嘴(zui)應采用(yong)(yong)導熱性良好的(de)紫銅(tong)制(zhi)成，大(da)功率（電流(liu)）噴(pen)嘴(zui)還必須采用(yong)(yong)直接水冷(leng)(leng)，并保證冷(leng)(leng)卻(que)水有足夠(gou)的(de)流(liu)量和(he)壓(ya)力，最(zui)好配備專用(yong)(yong)高(gao)壓(ya)冷(leng)(leng)卻(que)裝置。大(da)功率等(deng)離(li)(li)子弧(hu)(hu)焊槍(qiang)應采用(yong)(yong)循環的(de)高(gao)壓(ya)蒸(zheng)餾水直接冷(leng)(leng)卻(que)槍(qiang)體，冷(leng)(leng)卻(que)水再經(jing)熱交換器散熱后(hou)循環使(shi)用(yong)(yong)。為了提高(gao)冷(leng)(leng)卻(que)效果，噴(pen)嘴(zui)的(de)壁厚一般在2mm~2.5mm之(zhi)間。