等離子弧焊按焊接電流分類，可分為小電流（0.5A~15A)等離子孤焊，亦稱為微束等商子弧焊，主要用于焊接超薄板，可焊厚度為0.025mm~0.5mm;中電流等離子弧焊，使用的焊接電流范圍為15A~100A,可焊的焊件厚度為0.5mm~3.0mm;大電流（100A~500A)等離子弧焊。通常焊接電流大于100A的大電流等離子弧焊可焊接厚度為3mm~8mm的不銹鋼板，并可實現一次單面焊接雙面成型；但焊縫成型需采用小孔效應。鑒于是焊接不銹鋼焊管，為了提高焊接速度，一般焊管生產中只使用大電流等離子弧焊，所以其他電流的等離子弧焊在此就不作詳細介紹。

一、等離子弧焊小孔效應

  大電流等離子弧焊時，利用等離子弧能量密度和等離子流力大的特點，等離子弧的弧柱和弧焰同時對不銹鋼焊管加熱。由于弧柱直徑小，溫度與能量密度高，穿透力強，便在熔池頭部形成一個穿透性的小孔，弧焰從小孔的背面露出，如圖5-43所示。這就表明焊件已被完全焊透。此后隨著焊槍的前移，熔池液體金屬在表面張力的作用下，沿著熔池的固態邊緣向熔池尾部流動、會聚并凝固成焊縫。因此，大電流等離子弧焊的焊縫截面，具有酒杯形狀，如圖5-11a所示。

  應用小孔效應的等離子弧焊，最適用于焊接3mm~8mm 不銹鋼和12mm以下鈦合金。在上述厚度范圍內，可在不開坡口、不加填充金屬、不用襯墊的條件下實現單面焊雙面成型的焊接。厚度大于上述范圍時可采用V型坡口多層焊，但鈍邊可增加到5mm左右，這樣就可以比鎢極氬弧焊明顯地減少了焊接層次和節省填充金屬。因此，等離子弧焊是一種值得在不銹鋼焊管中推廣的單面焊雙面成型的好方法，同時也廣泛地用于不銹鋼厚壁管的打底焊。

 為了保證穿孔焊接過程的穩定性，工件的裝配間隙、錯邊等必須嚴格控制。當添加填充焊絲焊接時，可以略為降低對焊件裝配精度的要求。以上是保證等離子弧焊小孔效應焊接過程穩定的最可靠方法。不銹鋼焊管的等離子弧焊，一般采用100A~500A的大電流等離子弧焊，而100A~500A正好在實現小孔效應適當參數的范圍內。

二、等離子弧焊的工藝參數

  等離子弧焊的工藝參數有：噴嘴的孔徑和孔道長度、鎢極內縮量、焊接電流、離子氣流量以及焊接速度等。

 1. 噴嘴結構和孔徑

  這是選擇其他參數的前提。一般可按所需焊接電流先確定噴嘴孔徑（表5-2、表5-3)。

 2. 鎢極形狀及內縮量的選定

  鎢極形狀應為雙錐度，如圖5-44 所示，這對等離子弧的壓縮和穩定有好處。

  鎢極內縮量對等離子弧的壓縮性與熔透能力都有影響。在其他規范參數與工藝條件不變的情況下，鎢極內縮量過小，等離子弧的壓縮性將減弱，其熔透能力也變弱；反之，鎢極內縮量過大，等離子弧的壓縮性與熔透能力強，但又會引起焊縫成型變壞，如焊縫咬邊和反面焊漏等缺陷。因此，合理地選定鎢極內縮量，是等離子弧焊的關鍵，可參考表5-10。有的等離子弧焊槍出廠時，會帶有鎢極定位裝置，如圖5-45所示。通常為保證焊縫具有滿意的成型質量，也可參考下式來選定鎢極內縮距離：

3. 離子氣流量

  離子氣流量增加可使等離子弧流力和穿透能力增大。其他條件給定時為形成小孔效應，需有足夠的離子氣流量，但過大時并不能保證焊縫成型，應根據焊接電流、焊速及噴嘴尺寸、高度等參數條件來確定。此外，采用不同種類或不同混合比的離子氣時，氣體流量也將是不相同的。目前用得最多的是氬氣，焊接不銹鋼時也可采用Ar+（5%~15%)H2的離子氣；焊接鈦及鈦合金時，可采用（50%~75%)He+(50%~25%)Ar的離子氣，以便提高熱效率；焊接銅時也可采用100%N2或100%He的離子氣。

 4. 鎢極與等離子弧壓縮噴嘴同心度的調整

 鎢極與等離子弧壓縮噴嘴的同心度，是保證等離子弧焊焊接能否正常進行的關鍵。同心度的誤差會引起等離子弧焊最為忌諱的雙孤等，甚至導致等離子弧焊不能正常進行。鎢極與等離子弧壓縮噴嘴的同心度，可通過高頻火花來測試，測試時一定要通離子氣，見圖5-46。

 5. 噴嘴端面到焊件表面距離的選定

 經驗表明，噴嘴端面到焊件表面距離保持在4mm~8mm范圍內，能保證獲得較滿意的焊縫成型和保護效果。如果噴嘴端面到焊件表面距離過大，會增大等離子弧的熱損失，熔池的加熱面積也要增大，這將引起焊縫正面熔寬增大，且易產生未焊透和降低保護效果。反之，噴嘴端面到焊件表面距離過小，將影響到焊接過程中對熔池的觀察，降低焊接保護效果，且易誘發雙弧。

6. 保護氣的選定

 選用何種類型保護氣體應根據被焊鋼種來確定，可選純氬氣，也可選氬、氫混合氣體。可參考第三章《3.5.5焊接用保護氣體》。

7. 保護氣流量

 保護氣流量應與離子氣流量有一個恰當的比例，保護氣流量太大會造成氣流的紊亂，影響等離子弧的穩定性和保護效果。大電流等離子弧焊采用的保護氣，可根據被焊金屬材料的不同

  而有差異。一般焊接不銹鋼或鎳基高溫合金，常選用純氬氣或氬氣中加少量氫氣的混合氣做保護氣；當焊接鈦及其合金時，可用純氬或氬、氦混合氣。至于保護氣流量的大小，應按焊接具體要求，一般在15L/min~25L/min范圍內選定。

 利用小孔效應焊接時，保護氣的保護效果好壞，不僅影響到焊縫表面的氧化程度，而且影響到焊縫成型、焊接規范的穩定性以及可焊接的最小焊件厚度。如果采用具有內外（正反）兩層保護氣體進行保護，不僅可提高保護效果，還可獲得具有金屬光澤的焊縫表面。而且反面保護還對反面焊縫的成型起到承托的作用，使反面成型變得平滑。特別是當焊接厚度為6mm~8mm的焊件時，采用內外（正反）兩層保護，也易于調整出穩定的焊接規范參數值，并且焊接規范再現性也好；另外，對于厚度為2.5mm的焊件，也能穩定地進行穿孔效應焊接。上述情況在焊管生產中已經廣泛采用。

 8. 焊接電流、等離子氣流量和焊接速度的選定與匹配

  大電流等離子弧焊時，在選定的噴嘴結構形狀及尺寸和保持氣及其他規范參數不變的情況下，焊接電流、離子氣流量和焊接速度可以在一定的規范區內采用多種合理的匹配和組合，均能獲得滿意的焊接效果。也就是說，對于能保證焊件熔透的可用規范中，每一種焊接電流和離子氣流量的組合，均能找到一個與之相對應的、使熔池中液體金屬受力處于平衡的焊接速度。這三個規范參數相互匹配的一般規律是；在焊接電流一定時，增加離子氣流量，就要相應地增大焊接速度；在離子氣流量一定時，要增加焊接速度，就要相應地增大得接電流；而在焊接速度一定時，要增大離子氣流量，就必須相應地減小焊接電流。如果這三者匹配不當，就會影響到焊縫質量。例如：焊接電流或離子氣流量選得過小，或者焊接速度過大，焊接過程中就不會出現小孔效應，造成焊件未焊透；反之，若焊接電流或離子氣流量得過大，或者焊接速度過小，就容易出現焊經反焊漏過多，以成切割現象。

應當指出，焊接電流、離子氣流量和焊接速度之間雖然有多種匹配組合的可能性，但在選定時，應采用能反映等離子弧焊具有高能量密度和高生產率（即快焊速）特點的匹配組合，否則，就會失去采用這種焊接方法的意義。

三、等離子弧焊常見故障及質量缺陷

 1. 雙弧

  ①. 雙弧的危害

  在等離子弧焊過程中，正常的電弧應在鎢極與焊接熔池之間穩定地燃燒。但是由于某種原因，有時候除了鎢極和熔池之間存在等離子弧（稱為主弧）外，在噴嘴和焊件之間還出現一股與主弧并列的電弧，即產生所謂的雙弧現象，見圖5-47。這種雙弧或并聯弧，實際上是由鎢極和噴嘴與件組成的導電通路。

 在焊接過程中如果產生了雙弧，就會觀察到電弧飄忽不定，已調題好的焊接規范參數也發生了變化：電弧電壓降低，焊接電流增大。雙弧造成的不良后果主要表現在：

   A. 破壞了等離子弧焊的穩定性，使焊接過程不穩，并使焊縫成型變壞。

  B. 由于出現雙弧，在焊槍和焊件之間形成兩條并聯的導電通路。使通過主弧的電流比原來的焊接電流值小了許多，而且電弧電壓也降低了，因而主弧的電功率降低了，電弧對焊件的熔透能力減弱。

  C. 雙弧現象一旦發生，噴嘴就成為并聯弧的一個電極，并聯弧的電流無疑會通過噴嘴，使主弧和噴嘴孔內壁之間的冷氣膜位障遭受破壞，噴嘴受到強烈加熱，易引起噴嘴燒損，甚至使噴嘴孔堵塞。

 ②. 雙弧產生的原因

  實踐表明，產生雙弧的因素有：焊接規范參數、噴嘴的結構尺寸、傳熱條件、保護氣成分以及其他一些因素。

   A. 焊接電流的影響

   當噴嘴的結構形狀、尺寸和其他工藝條件不變時，如果焊接電流增大，等離子弧的直徑也隨之擴展變粗，這樣就使得噴嘴起位障作用的冷氣膜厚度減薄。焊接電流愈大，冷氣膜的厚度就愈薄，薄到一定程度時，冷氣膜即遭破壞失去位障作用，就會出現了雙弧。因此，在其他規范參數和工藝條件不變時，對于一定形狀與尺寸的噴嘴，其許用焊接電流有一個極限值，叫做噴嘴的臨界電流。只要焊接時選定的電流值低于臨界電流值，一般就可避免出現雙弧。

   但是應當指出，噴嘴的臨界電流值不是常數，它除了隨噴嘴結構形狀及尺寸變化外，還受某些工藝規范參數及工藝條件，如離子氣成分與流量、噴嘴的散熱效果、保護氣成分等的影響，在實際應用中應予以注意。

  B. 離子氣的成分和流量的影響

  實踐表明，等離子氣的成分和流量對弧柱有較強的冷卻作用，采用Ar、H2混合氣體做離子氣，由于氫質量輕，而且是雙原子氣體，高溫時易分解吸熱，對等離子弧柱有冷卻，由于熱收縮作用增強，使弧柱的截面積縮小，相對地就增大了冷氣膜厚度，即增強了冷氣膜位障作用，因而可減小雙弧形成的可能性。適當增大離子氣流量也有相同的作用。

  C. 噴嘴到焊件距離的影響

 噴嘴與焊件距離過近也容易產生雙弧，適當增大其距離可防止雙弧產生，但不可過大，否則會影響焊件的加熱與保護效果。

  D. 噴嘴的結構尺寸及傳熱條件的影響

 主要表現在噴嘴孔徑及孔道長度、噴嘴采用的金屬材料性能以及噴嘴的冷卻效果等對形成雙弧的影響。

E. 其他因素對形成雙弧的影響

  如噴嘴端面有氧化膜，噴嘴水冷密封滲水，保護氣不純，含有氧化性氣體等都可能誘發雙弧的產生。另外，鎢極和噴嘴孔是否同心，對雙弧的產生影響最大，也是等離子焊槍性能好壞的主要標志。

 2. 大電流等離子弧焊的氣孔

   用大電流等離子弧焊焊接中厚板時，可能在焊縫金屬中，通常位于酒杯狀焊縫截面轉折處，產生毛蟲形氣孔或連續的孔洞（隧道型氣孔）。

  等離子弧焊焊縫生成的毛蟲形氣孔或連續的孔洞（隧道型氣孔），不屬于反應性氣孔或溶解性氣孔，而是由于焊接過程熔池中的液體金屬包裹住惰性氣體而生成的氣孔（對有連續氣孔的焊縫剖開后發現氣孔表面未氧化，可以證明氣孔是由惰性氣體引起的）。

  一般在其他規范參數不變的情況下，焊接速度越快則越容易出現毛蟲形氣孔或隧道型氣孔。因為焊接速度較慢時，等離子弧的中軸線與熔池的表面垂直，弧柱偏斜較小。但是在焊接速度增大時，焊槍快速向前移動，將帶著陰極（鎢極）上的弧斑向前移動，而位于熔池中的孤斑（陽極斑點）不能立即跟著向前快速移動，出現了滯后現象，這樣，等離子弧弧柱就會偏斜，使作用于熔池底部的等離子弧壓力偏斜。在這種情況下，等離子孤壓力可分解成垂直分力和水平分力兩部分其中水平分力作用到熔池后緣液體金屬的下部，使之向后凹進，而上都液體金屬，吊狀。焊接速度越大，上述現象就越明顯。當懸吊狀調向前凸出呈懸吊狀。定值時，其重量超過支撐著它的

  表面張力時，就會掉落下來，堵塞住小孔效應產生的孔（往往在焊縫反面呈現焊漏），并把熔池后緣下部的氣體包裹住，形成了毛蟲形氣孔或連續的孔洞（隧道形型孔）。如果焊接速度過大，使焊接過程不出現穿孔，在熔池后緣下部積聚的氣體排泄不出來，氣體壓力將增大，可能一直支撐著懸吊狀液體金屬，這樣，焊縫就會出現未焊透和連續的孔洞。

 焊接速度過高不僅會導致小孔效應消失，而且會引起焊縫兩側咬邊和出現氣孔，甚至會形成貫穿焊縫的長條形隧道氣孔。這種氣孔通常是由于焊速過高時等離子弧明顯后吹，離子氣流不能從小孔中充分排走或根本無法排走，等離子弧壓力形成的水平分量在熔池底部排擠熔化金屬而形成的。這種氣孔內氣體成分是離子氣成分。小孔效應過程的中斷及起、熄弧處常見到這類氣孔。

四、等離子弧填絲焊

 等離子弧填絲焊是不銹鋼焊管生產中常用的焊接方法之一，見圖5-48。對開坡口的厚壁不銹鋼焊管的等離子弧打底焊，也可以不填充焊絲。

五、多槍等離子弧焊

 為提高不銹鋼焊管焊接速度和加大焊接厚度，把幾個等離子弧沿焊接方向排列起來，一般為三個等離子弧，同時進行焊接，即所謂多極等離子孤焊。多極等離子孤焊時，等離子弧所處的位置不同，其所起的作用和多陰極氬弧焊一樣也不同，前面的等高了不，不采用“小孔效應”，中間為焊接等離子弧，采用“小孔效應”，第三個為成型焊接等離子弧，也可不采用“小孔效應”。這種多極等離子弧焊是采用一種特殊的多極等離子弧焊焊槍，每個等離子弧焊為單獨的系統，可單獨調整工藝參數等，與多陰極氬弧焊相似，見圖5-49。