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、等離子弧的特性

1. 靜態特性

 等離子弧的靜態特性仍然呈U型曲線，但具有以下特點：

  a. 由于冷壁噴嘴的拘束作用使弧柱橫截面積受到限制，弧柱電場強度增大，電弧電壓明顯提高，U型特性的平直區較自由電弧明顯縮小。

  b. 拘束孔道的尺寸和形狀對靜特性有明顯的影響，噴嘴孔徑越小，U型特性平直區域就越小，上升段斜率增大，即弧柱電場強度增大。

  c. 離子氣的種類和流量不同時，弧柱的電場強度將有明顯變化。因此，用于等離子弧焊的電源空載電壓應按所用等離子氣種類而定。

  d. 如果采用聯合型等離子弧，轉移弧U型特性下降區段斜率明顯減小，這是由于非轉移弧的存在為轉移弧提供了導電通路之故。因此小電流微束等離子弧常采用混合型弧，以提高其穩定性。

2. 熱源特性

   a. 溫度和能量密度

   等離子弧的弧柱溫度高，能量密度大。從圖5-9和圖5-10可以看出，等離子弧對焊件加熱集中，熔透力強，焊接時速度要比氬弧焊快得多，從而可提高焊接生產效率。普通鎢極氬弧的最高溫度為10000K~24000K,能量密度小于10kW/c㎡;而等離子弧的溫度可高達24000K~50000K,能量密度可達100kW/c㎡~1000kW/c㎡.

 因此，等離子弧焊的焊縫截面形狀較窄，深寬比大，無疑焊件變形就小。等離子弧焊和鎢極氬弧焊深寬比比較見圖5-11。

 等離子弧溫度和能量密度高的原因是：

   ①. 水冷噴嘴孔徑限定了弧柱橫截面積不能自由擴大，這種拘束作用稱為機械壓縮作用。

   ②. 噴嘴水冷作用使靠近噴嘴內壁的氣體也受到強烈的冷卻作用，并且溫度和電離度均迅速下降，迫使弧柱區電流集中到弧柱中心的高溫高電離度區。這樣由于冷壁而在弧柱四周產生一層電離度趨近于零的冷氣膜，從而使弧柱有效橫截面進一步減小，電流密度進一步提高。這種使弧柱溫度和能量密度提高的作用通常又稱為熱收縮效應。

  ③. 由于以上兩個收縮效應的存在，弧柱電流密度增大以后，弧柱電流線之間的電磁收縮作用也進一步增強，致使弧柱溫度和能量密度進一步提高。以上3個因素中，噴嘴機械拘束是前提條件，而熱收縮則是最本質的原因。

  等離子弧溫度和能量密度的顯著提高，弧柱近似于圓柱形，使等離子弧的穩定性和挺直度變得更好。自由電弧（如鎢極氬弧焊）的擴散角約為45°,等離子弧擴散角約為5°(圖5-12),這是因為壓縮后從噴嘴口噴射出的等離子弧帶電質點運動速度明顯提高所致，速度最高可達300m/s(跟噴嘴結構、離子氣種類和流量有關）。

  圖5-13是等離子弧焊和鎢極氬弧焊時，弧長波動時對焊縫熔深的影響。當等離子弧長（實際上是噴嘴端面到焊件表面的距離）從3mm增大到8mm時，對焊縫熔深幾乎不產生影響；而鎢極氬弧孤長從1.5mm增大到2.5mm時，焊縫的熔深就明顯下降。

 b. 熱源成分

 普通鎢極氬弧焊中，加熱焊件的熱量主要來源于陽極斑點，弧柱輻射熱和傳導熱僅起輔助作用。在等離子弧焊中，情況則有變化，弧柱高速等離子體通過接觸傳導和輻射帶給焊件的熱量明顯增加，甚至可能成為主要的熱量來源，而陽極熱則降為次要地位。

3. 等離子弧的基本形式

 等離子弧按電源的接法和產生形式的不同，可分為轉移型、非轉移型和聯合型3種基本形式，如圖5-14所示。

 a. 轉移型等離子弧

   等離子弧是在電極和工件之間燃燒，但由于電極內縮于等離子弧噴嘴內，難以直接形成等離子弧，所以必須先在電極和水冷噴嘴之間引燃電弧（水冷噴嘴既是電弧的一極，又起著冷壁拘束電弧的作用），再轉移為電弧在電極與工件之間燃燒。這種借助于電極與水冷噴嘴再轉移為電極與工件之間的電弧稱為轉移弧（圖5-14a).由于轉移型等離子弧的陽極斑點處于工件上，直接加熱工件，使電弧熱量的有效利用率提高，同時轉移型等離子弧具有很高的動能和沖擊力，特別適合于焊接。

 b. 非轉移型等離子弧

  電源接于電極和噴嘴之間，工件不接入焊接回路，鎢極為陰極，噴嘴為陽極，等離子弧在電極和水冷噴嘴之間引燃電弧（水冷噴嘴既是電弧的一極，又起著冷壁拘束電弧的作用）噴出，形成的等離子弧稱為非轉移型等離子弧，又叫等離子焰，見圖5-14b。

  因為非轉移型等離子弧對工件的加熱是間接的，傳到工件上的熱量較少，只適用于焊接薄板和等離子噴涂，這里就不再詳細介紹。

 c. 聯合型等離子弧

 轉移型等離子弧和非轉移型等離子弧同時存在的等離子弧，稱為聯合型等離子弧，如圖5-14c所示。這種等離子弧焊很少采用，這里就不再詳細介紹。

二、等離子弧焊設備

 1. 焊接電源

  具有下降或垂直陡降特性的直流電源（與鎢極氬弧焊的電源相同）都可供等離子弧焊使用。用純氬氣做離子氣時，電源空載電壓只需65V~80V;用氬＋氫混合氣做離子氣時，電源空載電壓需110V~120V.若無合適的專用電源，可用兩臺普通直流弧焊電源串聯使用。大電流等離子弧焊都采用轉移型弧，用高頻引燃非轉移弧，然后轉移成轉移弧。因此，一般可以采用一臺焊接電源，用串接電阻的方法向電極和水冷噴嘴回路提供產生非轉移弧所需要的較低電流，見圖5-14a。

 2. 引弧裝置

  等離子弧焊的引弧裝置與鎢極氬弧焊的引弧裝置基本相同。

 3. 控制系統

  使用兩套電源時，需能分別調節非轉移弧和轉移弧的電流，其余與鎢極氬弧焊類似。遇復雜情況，還需能控制離子氣的遞增和衰減。

 4. 氣路和水路

 等離子弧焊供氣系統的氣路要比鎢極氬弧焊復雜，見圖5-15。等離子弧焊如采用混氫混合氣體時，必須保證供氣系統中不能漏氣，否則會有引起爆炸的危險。在供氣系統中，要有氣流匯流裝置進行均流，均勻地將氣分配給各路氣路；還要有貯氣筒，對離子氣進行緩沖。衰減氣閥對結束焊接時的氣流進行衰減。

等離子弧焊的水路與鎢極氬弧焊的水路相同。

5. 焊槍

 等離子弧焊槍要比鎢極氬焊焊槍復雜、精密得多，其中最主要的部件是離子弧噴嘴和保證鎢極與等離子噴嘴同心的裝置。某型號300A等離子弧焊槍結構見圖5-16。

三、等離子弧焊槍的噴嘴

等離子弧焊槍的噴嘴是產生等離子弧的關鍵部件，它的設計是否合理，對保證等離子弧的穩定、正常工作以及焊接質量具有決定性作用。

 1. 噴嘴的主要結構參數（圖5-17)

  a. 噴嘴孔徑d

噴嘴孔徑d,它決定等離子弧直徑的大小。噴嘴孔徑d決定了應使用的焊接電流和離子氣流量，也可以依據焊接電流和離子氣流量先擇噴嘴孔徑d的大小。總之，d越大則壓縮作用越小，當d過于大對則無壓縮效果；而d過小時，則會引起雙弧（圖5-47),破壞了等離子弧的穩定性。因此，對于給定的d值，有一個合理的焊接電流使用范圍。表5-2列出了常用的某型號噴嘴孔徑d及其焊接電流的使用范圍，供參考。

 b. 噴嘴孔長度L

 當噴嘴孔徑d給定時，噴嘴孔長度（深度）L的增加，則壓縮作用加強。常以L/d表示噴嘴孔道壓縮特征，稱之為孔道比（表5-3).

 c. 錐角 α

 錐角α又稱壓縮角，實際上它對等離子弧壓縮狀態影響不大，特別是當離子氣流量較小，L/d較小時。但壓縮角小時，能增強對電弧的壓縮作用。一般應注意和鎢極端部形狀相配合，以利于陰極斑點置于鎢極頂端而不上漂。常用的壓縮角α值為60°~75°。

d. 壓縮通道的形狀

  多數噴嘴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嘴。這類噴嘴降低了壓縮程度，有利于提高等離子弧的穩定性和噴嘴使用壽命。擴散型噴嘴結構見圖5-18。

  除了單孔型（圖5-17a)噴嘴外，還有多孔型噴嘴。例如，兩側帶有2個輔助小孔的焊接噴嘴（圖5-17b),可使等離子弧的橫截面由圓形變為橢圓形，使熱源有效功率密度提高，有利于進一步提高焊速和減小焊縫及熱影響區寬度。四周帶有多個小孔的噴嘴（圖5-17c)可使等離子弧在噴嘴外得到二次壓縮，用于切割，有利于進一步提高等離子弧挺度及切口質量；但過多的小孔易受金屬飛濺物堵塞而失去其有利作用并造成不利的等離子弧偏轉，因此并未得到廣泛應用。

 2. 噴嘴的材料和冷卻

  等離子弧焊的噴嘴應采用導熱性良好的紫銅制成，大功率（電流）噴嘴還必須采用直接水冷，并保證冷卻水有足夠的流量和壓力，最好配備專用高壓冷卻裝置。大功率等離子弧焊槍應采用循環的高壓蒸餾水直接冷卻槍體，冷卻水再經熱交換器散熱后循環使用。為了提高冷卻效果，噴嘴的壁厚一般在2mm~2.5mm之間。