标题：等离子弧焊
基本信息
  缩写abbr. ：PAW. 
[军] Plasma-Arc Welding, 等离子弧焊
——简明英汉词典
工作方式
等离子弧有两种工作方式。一种是“非转移弧”，电弧在钨极与喷嘴之间燃烧，主要用於等离子喷镀或加热非导电材料；另一种是“转移弧”，电弧由辅助电极高频引弧后，电弧燃烧在钨极与工件之间，用於焊接。形成焊缝的方式有熔透式和穿孔式两种。前一种形式的等离子弧只熔透母材，形成焊接熔池，多用於0.8～3毫米厚的板材焊接；后一种形式的等离子弧只熔穿板材，形成钥匙孔形的熔池，多用於 3～12毫米厚的板材焊接。此外，还有小电流的微束等离子弧焊，特别适合於0.02～1.5毫米的薄板焊接。等离子弧焊接属于高质量焊接方法。焊缝的深/宽比大，热影响区窄，工件变形小，可焊材料种类多。特别是脉冲电流等离子弧焊和熔化极等离子弧焊的发展，更扩大了等离子弧焊的使用范围。
过程特点
操作方式等离子弧焊与TIG焊十分相似，它们的电弧都是在尖头的钨电极和工件之间形成的。但是，通过在焊炬中安置电极，能将等离子弧从保护气体的气囊中分离出来，随后推动等离子通过孔型良好的铜喷管将弧压缩。通过改变孔的直径和等离子气流速度，可以实现三种操作方式：
1、微束等离子弧焊：30A以下的熔透型等离子弧焊
是指电流在30A以下的熔透型等离子弧焊，通常称为微束等离子弧焊。为了保证小电流等离子弧的稳定，一般采用混合型等离子弧。主要用于超薄件的焊接。
2、熔透型等离子弧焊：15～200A
它是采用较小的焊接电流和较小的离子气流量，等离子弧在焊接过程中只熔化焊件不产生小孔效应，焊接方法与钨极氩弧焊很相似，焊接时可以不添加金属，主要用于薄板（0.5～2.5mm）的焊接。
3、穿透型等离子弧焊：100～300A
又称穿孔型焊接法，通过增加焊接电流和等离子气流速度，可产生强有力的等离子束，利用它温度高、能量密度强、穿透力强的特点，焊接时等离子弧把焊件完全熔透并在等离子流量的作用下形成一个穿透焊件的小孔（小孔背面露出等离子弧），形成了正反面都有波纹的焊缝，即所谓的“小孔效应”，焊接时一般不加金属。适用于3～8mm的不锈钢、12mm以下的钛合金、2～6mm低碳钢低合金钢以及铜、黄铜和镍及镍合金的焊接。
电源使用等离子弧焊时，通常采用直流电流和垂降特性电源。由于从特别的焊炬排列方式和各自分离的等离子、保护气流中获得了独特的操作特性，可在等离子控制台上增加一个普通的TIG电源，还可以使用特别组建的等离子系统。采用正弦波交流电时，不容易使等离子弧稳定。当电极和工件间距较长且等离子被压缩时，等离子弧很难发挥作用，而且，在正半周期内，过热的电极会使导电嘴变成球形，从而干扰弧的稳定。
可使用专用的直流开关电源。通过调节波形的平衡来减少电极正极的持续时间，使电极得到充分冷却，以维护尖头导电嘴形状，并形成稳定的弧。
起弧虽然等离子弧是通过采用高频产生的，但它首先是在电极和等离子喷嘴之间形成的。该维弧被装在焊炬中，需要焊接时，再将它转移到工件上。与在焊缝间保持的维弧相同，维弧系统能确保稳定的起弧，这避免了对产生电子干涉的高频的需要。
电极用于等离子过程使用的是含2%氧化钍的钨电极和铜的等离子喷嘴。与TIG焊使用的导电嘴不同，在等离子过程中，对电极导电嘴的直径要求不那么严格，但压缩角须保持在30°～60°左右。等离子喷嘴孔的直径是很重要的，在相同的电流强度和等离子气流速度下，孔直径太小会导致喷嘴被过度腐蚀甚至熔化。在工作电流下，需要谨慎使用直径过大的等离子喷嘴。
注：孔的直径过大，可能会对弧的稳定及孔的维护造成困难。
等离子和保护气体通常等离子气体的组合气体是氩气，并含有2%～5%的氩气作为保护气体。氦气也能用做等离子气体，但由于它温度较高，会降低喷嘴的电流上升率。氢气含量越少，进行小孔型等离子焊接就越困难。
应用
微束离子焊接微束离子通常用于焊接薄板材（厚度为0.1mm）、焊丝和网孔部分。针型挺直的弧能将弧的偏离和变形减到最小。虽然等效的TIG 弧更扩散，但更新的晶体管化的（TIG）电源能在低电流下产生非常稳定的弧。
中等电流焊接在熔化方式下可选择该方法进行传统的TIG焊。 它的优点是能产生较深的熔深（愿于较高的等离子气流），能容许包括药皮（焊炬中的焊条）在内的较大的表面污染。主要缺点是焊炬笨重，使手工焊接比较困难。在机械化焊接中，应该更加注意焊炬的维护以保证稳定的性能。
小孔型焊接可用的几点优势是：熔深较深、焊接速度快。与TIG 弧相比，它能焊透厚度达10mm的板材，但使用单道焊接技术时，通常将板材厚度限制在6mm内。通常的方法是使用有填充物的小孔，以确保焊道断面的光滑（无齿边）。由于厚度达到了15mm，要使用6mm厚的钝边进行V型接头准备。也可使用双道焊技术，在熔化方式下通过添加填充焊丝，自动生成第一和第二条焊道。
必须精确地平衡焊接参数、等离子气流速度和填充焊丝的添加量（填入小孔）以维护孔和焊接熔池的稳定，这一技术只适用于机械化焊接。虽然通过使用脉冲电流，该技术能用于位置焊接，但它通常是用于对较厚的板材材料（超过3mm）进行高速平焊。进行管道焊接时，必须精确地控制溢出电流和等离子气流速度以确保小孔关闭。
等离子弧焊接和切割
工作原理等离子弧切割是一种常用的金属和非金属材料切割工艺方法。它利用高速、高温和高能的等离子气流来加热和熔化被切割材料，并借助内部的或者外部的高速气流或水流将熔化材料排开直至等离子气流束穿透背面而形成割口。
等离子弧焊接和切割： 
1.1 等离子弧的产生：
（1）等离子弧的概念：
自由电弧：未受到外界约束的电弧，如一般电弧焊产生的电弧。
等离子弧：受外部拘束条件的影响使孤柱受到压缩的电弧。
自由电弧弧区内的气体尚未完全电离，能量未高度集中，而等离子弧弧区内的气体完全电离，能量高度集中，能量密度很大，可达10~10W/cm2，电弧温度可高达24000～50000K（一般自由状态的钨极氩弧焊最高温度为10000～20000K，能量密度在10W/cm2以下）能迅速熔化金属材料，可用来焊接和切割。
（2）等离子弧的产生
等离子弧发生装置如图6-4-1所示。
在钨极与喷嘴之间或钨极与工件之间加一较高电压，经高频振荡使气体电离形成自由电弧，该电弧受下列三个压缩作用形成等离子弧。
①机械压缩效应（作用）——电弧经过有一定孔径的水冷喷嘴通道，使电弧截面受到拘束，不能自由扩展。
②热压缩效应——当通入一定压力和流量的氩气或氮气时，冷气流均匀地包围着电弧，使电弧外围受到强烈冷却，迫使带电粒子流（离子和电子）往弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩。
③电磁收缩效应——定向运动的电子、离子流就是相互平行的载流导体，在弧柱电流本身产生的磁场作用下，产生的电磁力使孤柱进一步收缩。
电弧经过以上三种压缩效应后，能量高度集中在直径很小的弧柱中，弧柱中的气体被充分电离成等离子体，故称为等离子弧。
当小直径喷嘴，大的气体流量和增大电流时，等离子焰自喷嘴喷出的速度很高，具有很大的冲击力，这种等离子弧称为“刚性弧”，主要用于切割金属。反之，若将等离子弧调节成温度较低、冲击力较小时，该等离子弧称为“柔性弧”，主要用于焊接。
1.2 等离子弧焊接
1.2.1 基本知识
用等离子弧作为热源进行焊接的方法称为等离子孤焊接。
焊接时离子气（形成离子弧）和保护气（保护熔池和焊缝不受空气的有害作用）均为氩气。
等离子弧焊所用电极一般为钨极（与钨极氩弧焊相同，国内主要采用钍钨极和铈钨极，国外还采用锆钨极和锆极），有时还需填充金属（焊丝）。一般均采用直流正接法（钨棒接负极）。故等离子弧焊接实质上是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊。
1.2.2 等离子弧焊接的分类：
1．小孔型等离子弧焊
小孔型焊又称穿孔、锁孔或穿透焊。利用等离子弧能量密度大、和等离子流力强的特点，将工件完全熔透并产生一个贯穿工件的
小孔。被熔化的金属在电弧吸力、液体金属重力与表面张力相互作！用下保持平衡。焊枪前进时，小孔在电弧后方锁闭，形成完全熔透‘的焊缝。
穿孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成。板厚增加：所需能量密度也增加。由于等离子弧能量密度的提高有一定限制，爵因此小孔型等离子弧焊只能在有限板厚内进行。
2.熔透型等离子弧焊
当离子气流量较小、弧抗压缩程度较弱时，这种等离子弧在焊接过程中只熔化工件而不产生小孔效应。焊缝成形原理和钨极氢弧焊类似，此种方法也称熔入型或熔蚀法等离子弧焊。主要用于薄板加单面焊双面成形及厚板的多层焊。
3.微束等离子弧焊
15 ^30A以下的熔入型等离子弧焊接通常称为微束等离子弧焊接。由于喷嘴的拘束作用和维弧电流的同时存在，使小电流的等离子弧可以十分稳定，目前已成为焊接金属薄箔的有效方法。为保证焊接质量，应采用精密的装焊夹具保证装配质量和防止焊接变形。工件表面的清洁程度应给予特别重视。为了便于观察，可采用光学放大观察系统。
1.2.3 等离子弧焊接的特点及应用：
特点（1）微束等离子弧焊可以焊接箔材和薄板。
（2）具有小孔效应，能较好实现单面焊双面自由成形。 
（3）等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强，10～12mm厚度钢材可不开坡口，能一次焊透双面成形，焊接速度快，生产率高，应力变形小。
（4）设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室内焊接。
应用广泛用于工业生产，特别是航空航天等军工和尖端工业技术所用的铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接，如钛合金的导弹壳体，飞机上的一些薄壁容器等。
各种焊接方法及设备
等离子弧的类型按电源连接方式的不同，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式见图23。
（1）非转移型等离子弧 钨极接电源负端，喷嘴接电源正端，等离子弧体产生在钨极与喷嘴之间，在等离子气体压送下，弧柱从喷嘴中喷出，形成等离子焰。
（2）转移型等离子弧 钨极接电流负端，焊件接电流正端，等离子弧产生的钨极和焊件之间。因为转移弧能把更多的热量传递给焊件，所以金属焊接、切割几乎都是采用转移型等离子弧。
（3）联合型等离子弧 工作时非转移弧和转移弧同时并存，故称为联合型等离子弧。非转移弧起稳定电弧和补充加热的作用，转移弧直接加热焊件，使之熔化进行焊接。主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊。
转移型等离子弧的产生方法为建立转移型等离子弧，应将钨极接电源负极，喷嘴和焊件同时接正极，转移型弧示意图见图24。首先接通钨极与喷嘴之间的电路，引燃钨极与喷嘴之间的电弧，接着迅速接通钨极和焊件之间的电路，使电弧转移到钨极和焊件之间直接燃烧，同时切断钨极和喷嘴之间的电路，转移型等离子弧就正式建立。
在正常工作状态下，喷嘴不带电，在开始引燃时产生的等离子弧，只是作为建立转移弧的中间媒介。
常用等离子弧焊的基本方法常用的等离子弧焊基本方法有小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊和微束等离子弧焊三种。
（1）小孔型等离子弧焊 使用较大的焊接电流，通常为50～500A，转移型弧。施焊时，压缩的等离子焰流速度较快，电弧细长而有力，为熔池前端穿透焊件而形成一个小孔，焰流穿过母材而喷出，称为 “小孔效应”，其示意图见图25。随着焊枪的前移，小孔也随着向前移动，后面的熔化金属凝固成焊缝。由于等离子弧能量密度的提高有一定限制，因此小孔型等离子弧焊只能在有限厚板内进行焊接，见表2。
表2 小孔型等离子弧焊一次焊透厚度 （mm）
不锈钢 ≤8
钛及钛合金 ≤12
镍及镍合金 ≤6
低合金钢 ≤7
低碳钢 ≤8
（2）熔透型等离子弧焊 当等离子气流量较小、弧柱压缩程度较弱时，此种等离子弧在焊接过程中只熔化焊件而不产生小孔效应，焊缝成形原理与钨极氩弧焊相似，称为熔透型等离子弧焊，主要用于厚度小于2～3mm的薄板单面焊双面成形及厚板的多层焊。
（3）微束等离子弧焊 焊接电流30A以下熔透型焊接称为微束等离子弧焊。采用小孔径压缩喷嘴（ф0.6mm～ф1.2mm）及联合型弧，当焊接电流小至1A以下，电弧仍能稳定地燃烧，能够焊接细丝和箔材。
等离子弧焊设备
设备组成和钨极氢弧焊一样，按操作方式，等离子弧焊设备可分为手工焊和自动焊两类。手工焊设备由焊接电源、焊枪、控制电路、气路和水路等部分组成。自动焊设备则由焊接电源、焊枪、焊接小车（或转动夹具）、控制电路、气路及水路等部分组成。
焊接电源下降或垂直下降特性的整流电源或弧焊发电机均可作为等离子弧焊接电源。用纯氢作为离子气时，电源空载电压只需65-80V；用氢、氢混合气时，空载电压需110-120 0
大电流等离子弧都采用等离子弧，用高频引燃非转移弧，然后转移成转移弧。
30A以下的小电流微束等离子弧焊接采用混合型弧，用高频或接触短路回抽引弧。由于非转移弧在非常焊接过程中不能切除因此一般要用两个独立的电源。
气路系统等离子弧焊机供气系统应能分别供给可调节离子气、保护气、背面保护气。为保证引弧和熄弧处的焊接质量，离子气可分两路供给，其中一路可经气阀放空，以实现离子气流衰减控制。
控制系统手工等离子弧焊机的控制系统比较简单，只要能保证先通离子气和保护气，然后引弧即可。自动化等离子弧焊机控制系统通常由高频发生器，小车行走。填充焊口逆进拖动电路及程控电路组成。程控电路应能满足提前送气、高频引弧和转弧、离子气递增、延迟行走、电流和气流衰减熄弧。延迟停气等控制要求。
国外焊接技术最新进展
一种新开发的用于等离子弧焊的焊矩系统，采用反极性电极和选用100~200A焊接电流可以经济有效地焊接铝制零件，焊接质量很好。经对各种铝镁合金的焊接试验表明：在焊接2~8mm的板材时，可以使用熔入和锁孔式焊接技术。 
使用电极极性可变的锁孔技术进行等离子弧焊，可用来焊圆周焊缝，如AlMg3管道、法兰盘以及GK－AlSi7Mg冷铸合金制造的形状各异的零件，能够进行8mm壁厚材料的无坡口对焊连接。使用新开发的特殊气体控制系统可以无缺陷地完成圆周焊缝的收尾焊接。由于只在铸件一侧才会产生气孔，因此要确定铸件熔化金属的原子氢含量。如果铸件熔化金属中的氢含量低于0.3mL/100g，焊缝产生的气孔就很少。采用此方法要修复的焊缝总长度可达39m，占整个焊缝长度的27.2%。 
在研究开发最现代化的电源和控制技术条件下，采用等离子弧焊技术是一种质量最佳、经济有效、重复性好的连接工艺。另外，通过调节电流，确保厚板等离子弧对接接头焊接时产生锁孔的传感器系统、导电的熔池支撑与被焊板材绝缘，并通过带电的车架在等离子弧穿透时测量电流，并随之移动。 
这种新的工艺与TIG焊接相比具有如下特点： 
（1）采用等离子弧焊时的特定工艺优点，不仅主要表现在微型等离子弧焊的板材厚度范围方面，而且涉及使用锁孔技术。 
应用范围包括：表面堆焊、喷涂和焊接。通过可调频率使用低脉冲焊接电流，等离子弧焊可以更好的方式控制电弧能量的大小，能够通过现代控制系统可靠地同步监测各种设定值的执行情况。晶体管的焊接电源，如 AUTOTIG系列，可以精确地按照技术规格的规定运行。 
（2）用粉末等离子弧焊焊接薄板和管道时，具有焊接速度快、热输入小和变形小等优点。 
（3）等离子弧焊接时，锁孔技术的优点还清楚地表现在板厚达10mm的材料焊接方面。在应用技术中，粉末等离子弧焊接具有稳固的市场地位。这种新的工艺也将会在机器人上得到应用。
等离子弧焊的工艺参数
杨怀文
索引：等离子弧焊的几个工艺参数 
关键词：焊接电流，焊接速度，喷嘴离工件的距离，等离于气及流量，引弧及收弧，接头形式和装配要求， 
(1)焊接电流 
焊接电流是根据板厚或熔透要求来选定。焊接电流过小，难于形成小孔效应：焊接电流增大，等离子弧穿透能力增大，但电流过大会造成熔池金属因小孔直径过大而坠落，难以形成合格焊缝，甚至引起双弧，损伤喷嘴并破坏焊接过程的稳定性。因此，在喷嘴结构确定后，为了获得稳定的小孔焊接过程，焊接电流只能在某一个合适的范围内选择，而且这个范围与离子气的流量有关。 
(2)焊接速度 
焊接速度应根据等离子气流量及焊接电流来选择。其他条件一定时，如果焊接速度增大，焊接热输入减小，小孔直径随之减小，直至消失，失去小孔效应。如果焊接速度太低，母材过热，小孔扩大，熔池金属容易坠落，甚至造成焊缝凹陷、熔池泄漏现象。因此，焊接速度、离子气流量及焊接电流等这三个工艺参数应相互匹配。 
(3)喷嘴离工件的距离 
喷嘴离工件的距离过大，熔透能力降低：距离过小，易造成喷嘴被飞溅物堵塞，破坏喷嘴正常工作。喷嘴离工件的距离一般取3～8mm。与钨极氩弧焊相比，喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感。 
(4)等离于气及流量 
等离子气及保护气体通常根据被焊金属及电流大小来选择。大电流等离子弧焊接时，等离子气及保护气体通常采取相同的气体，否则电弧的稳定性将变差。小电流等离子弧焊接通常采用纯氩气作等离子气。这是因为氧气的电离电压较低，可保证电弧引燃容易。 
离子气流量决定了等离子流力和熔透能力。等离子气的流量越大，熔透能力越大。但等离子气流量过大会使小孔直径过大而不能保证焊缝成形。因此，应根据喷嘴直径、等离子气的种类、焊接电流及焊接速度选择适当的离子气流量。利用熔人法焊接时，应适当降低等离子气流量，以减小等离子流力。 
保护气体流量应根据焊接电流及等离子气流量来选择。在一定的离子气流量下，保护气体流量太大，会导致气流的紊乱，影响电弧稳定性和保护效果。而保护气体流量太小，保护效果也不好，因此，保护气体流量应与等离子气流量保持适当的比例。 
小孔型焊接保护气体流量一般在15～30L/min范围内。采用较小的等离子气流量焊接时，电弧的等离子流力减小，电弧的穿透能力降低，只能熔化工件，形不成小孔，焊缝成形过程与TIG焊相似。这种方法称为熔入型等离子弧焊接，适用于薄板、多层焊的盖面焊及角焊缝的焊接。 
(5)引弧及收弧 
板厚小于3mm时，可直接在工件上引弧和收弧。利用穿孔法焊接厚板时，引弧及熄弧处容易产生气孔、下凹等缺陷。对于直缝，可采用引弧板及熄弧板来解决这个问题。先在引弧板上形成小孔，然后再过渡到工件上去，最后将小孔闭合在熄弧板上。 
大厚度的环缝，不便加引弧板和收弧板时，应采取焊接电流和离子气递增和递减的办法在工件上起弧，完成引弧建立小孔并利用电流和离子气流量衰减法来收弧闭合小孔。 
(6)接头形式和装配要求 
工件厚度大于1.6mm时，小于表1-1列举的厚度时，采用I形坡口，用穿孔法单面焊双面成形一次焊透。工件厚度大于表1-1列举的数值时，根据厚度不同，可开V形、U形或双V形、双U形坡口。 
工件厚度小于1．6mm，采用微束等离子弧焊时，接头形式有对接、卷边对接、卷边角接、端面接头。当厚度小于0．8mm时，接头装配要求见表1-2。
等离子弧焊直接金属成形技术的工艺研究
摘　要：提出了一种基于等离子弧焊的直接金属成形新方法,通过对成形工艺的试验研究,确定了焊接电流、成形速度与成形轨迹宽度之间的对应关系;针对成形轮廓的表面质量问题,实施了根据轮廓矢量进行切向送丝的填充方案;并采用循环水冷的温控措施解决了成形过程的过热问题。
送丝角度对成形轨迹的影响
本文在实验中发现,对零件外轮廓进行扫描时,填充丝材送入的方向同外轮廓切向的夹角对轮廓成形的质量有显著的影响。在直接金属成形系统运动机构的早期设计中, 焊炬和送丝机构固定不动,保持送丝方向在空间上不变, 这样当XY 二维工作台沿着成形轮廓插补运动时, 送丝方向与成形轮廓的运动方向就会形成一定的夹角α,如图3。当夹角α较小时,轨迹成形所受影响不大,但是, 当α增加到一定程度后成形轨迹的表面波纹度开始增大,表面质量明显变差。
图4是不同送丝角度下成形轨迹的形貌。可以看出,送丝角度保持在小角度范围内时,成形轨迹表面质量较好;而随着送丝角度的增加,成形轨迹表面的波浪度增大;当送丝角度进一步增大时,熔化的焊丝不能进入熔池,团成球状凝结于扫描路径外侧,不能形成完整的轨迹。
成形过程不均匀的热场和力场分布,是造成这种现象的主要原因。小角度,特别是切向送丝时,焊丝送入的方向与焊接热场移动的方向相符,焊丝能够得到足够的热量迅速熔化,并与熔池形成搭桥过渡,顺利进入熔池,如图5。固定送丝方向时,随着焊丝与轨迹切向夹角的增大,焊丝吸收的热量减少,难以形成顺利的搭桥过渡,焊丝熔化后团聚成球状,难以送入熔池中心,在自重作用下落于熔池边缘,如图6。
成形件的外轮廓总是由各种形式的曲线构成的,如果在成形曲线的过程中保持送丝的角度不变,势必会引起熔滴过渡的条件时好时坏,容易在曲线轨迹表面形成图7中所示的积瘤、夹丝等缺陷。因此,成形过程中,为了保证成形轨迹轮廓的一致均匀性,应根据成形轮廓切向的变化,不断调整送丝角度,使二者保持一致,如图8。
为了方便送丝角度的动态调整,本文对直接金属成形系统的机构部分进行了改进,将先前固定的焊炬和送丝机构置于回转工作台上,回转工作台通过步进电机在计算机系统的控制下可以随扫描轨迹的走向自适应旋转,以保证送丝机构沿扫描轮廓的切向均匀连续地送丝。图9即为改进后的直接金属成形系统部分实物照片,图10是采用送丝角度调整后成形轮廓的外观情况,通过送丝角度的调整,成形件的外观质量得到了改善。
冷却措施
在成形过程中,成形件要承受电弧热量的连续输入,从而造成其整体温度升高,成形轨迹热影响区变大,熔池金属流动性增强等热效应,这对于控制成形件表面质量极为不利。而焊后引起的整体热变形对成形件的尺寸及形状都有很大的影响。对于具有薄壁特征的成形件,其传热途径更为局限,因此,这种热效应就更为严重(如图11) 。因此,有必要采取可靠的传热措施,控制成形过程中成形件的热量传递。
针对这种现象,本文在实验中采用循环水冷的方法,增强成形过程中成形件的热量传递。具体实施方法如图12所示,将基底放入水槽中进行焊接成形;当成形过程中出现过热效应时,开始通入循环冷却水;并使冷却水的液面始终与当前熔焊层保持3 mm～5 mm的距离,以保持良好的散热效果。这样可以大大改善成形件的热传递过程,同时也可在一定程度上增强保护气体的保护效果。
等离子焊优点
等离子是指在标准大气压下温度超过3000℃的气体，在温度谱上可以把其看作为继固态、液态、气态之后的第四种物质状态。等离子是由被激活的高子、电子、原子或分子组成。例如：它可通过自然界中的闪电产生。从1960年以后，等离子这个词获得了新的含义，那就是电弧通过涡流环或喷嘴压缩而形成的高能量状态，此原理现在被广泛用于钢铁、化工及机械工程工业。 
等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。钨极氩弧焊使用的热源是常压状态下的自由电弧，简称自由钨弧。等离子弧焊用的热源则是将自由钨弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，称等离子弧，又称压缩电弧。两者在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同。经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高。 
等离子弧的最大电压降是在弧柱区里，这是由于弧柱被强烈压缩，使电场强度明显；增大的缘故。因此，等离子弧焊主要是利用弧柱等离子体热来加热金属，而自由钨弧是利用两电极区产生的热来加热母材和电极金属。
等离子弧的特性
等离子弧的静特性曲线接近U形(图1-2)。与自由钨弧比较最大区别是电弧电压比自由钨弧高。此外，在小电流时，自由钨弧静特性为陡降(负阻特性)的，易与电源外特性曲线相切，使电弧失稳。而等离子弧则为缓降或平的，易与电源外特性相交建立稳定工作。
表示了等离子弧与自由钨弧的形态区别。等离子弧呈圆柱形，扩散角约5度左右，焊接时，当弧长发生波动时，母材的加热面积不会发生明显变化，而自由钨弧呈圆锥形，其扩散角约45度，对工作距离变化敏感性大。
等离子弧的挺直度非常好。由于等离子弧是自由钨弧经压缩而成，故其挺度比自由钨弧好，焰流速度大，可达300m/s以上，因而指向性好，喷射有力，其熔透能力强。
合金材料的等离子弧焊
综述穿孔型等离子弧焊接最适于焊接厚度3～8mm不锈钢、厚度12mm以下钛合金、板厚2～6mm低碳或低合金结构钢以及铜、黄铜、镍及镍合金的对接焊缝。这一厚度范围内可不开坡口，不加填充金属，不用衬垫的条件下实现单面焊双面成形。厚度大于上述范围时可采用V形坡口多层焊。
高温合金的等离子弧焊接用等离子弧焊焊接固溶强化和Al、Ti含量较低的时效强化高温合金时，可以填充焊丝也可以不加焊丝，均可以获得良好质量的焊缝。一般厚板采用小孔型等离子弧焊，薄板采用熔透型等离子弧焊，箔材用微束等离子弧焊。焊接电源采用陡降外特性的直流正极性，高频引弧，焊枪的加工和装配要求精度较高，并有很高的同心度。等离子气流和焊接电流均要求能递增和衰减控制。　 
焊接时，采用氩和氩中加适量氢气作为保护气体和等离子气体，加入氢气可以使电弧功率增加，提高焊接速度。氢气加入量一般在5%左右，要求不大于15%。焊接时是否采用填充焊丝根据需要确定。选用填充焊丝的牌号与钨极惰性气体保护焊的选用原则相同。 
高温合金等离子弧焊的工艺参数与焊接奥氏体不锈钢的基本相同，应注意控制焊接热输入。镍基高温合金小孔法自动等离子弧焊的工艺参数见表1-1。在焊接过程中应控制焊接速度，速度过快会产生气孔，还应注意电极与压缩喷嘴的同心度。高温合金等离子弧焊接接头力学性能较高，接头强度系数一般大于90%。
铝及铝合金的等离子弧焊接等离子弧是以钨极作为电极，等离子弧为热源的熔焊方法。焊接铝合金时，采用直流反接或交流。铝及铝合金交流等离子弧焊接多采用矩形波交流焊接电源，用氩气作为等离子气和保护气体。对于纯铝、防锈铝，采用等离子弧焊，焊接性良好；硬铝的等离子弧焊接性尚可。 
为了获得高质量的焊缝应注意以下几点。 
a．焊前要加强对焊件、焊丝的清理，防止氢溶人产生气孔，还应加强对焊缝和焊丝的保护。 
b．交流等离子弧焊的许用等离子气流量较小，流量稍大，等离子弧的吹力过大，铝的液态金属被向上吹起，形成凸凹不平或不连续的凸峰状焊缝。为了加强钨极的冷却效果，可以适当加大喷嘴孔径或选用多孔型喷嘴。 
c．当板厚大于6mm时，要求焊前预热100--200℃。板厚较大时用氦作等离子气或保护气，可增加熔深或提高效率。 
d．需用的垫板和压板最好用导热性不好的材料制造(如不锈钢)。垫板上加工出深度lmm、宽度20～40mm的凹槽，以使待焊铝板坡口近处不与垫板接触，防止散热过快。 
e．板厚不大于lOmm时，在对接的坡口上海间隔150mm点固焊一点；板厚大于l0mm时，每间隔300mm点固焊一点。点固焊采用与正常焊接相同的电流。 
f． 进行多道焊时，焊完前一道焊道后应用钢丝或铜丝刷清理焊道表面至露出纯净的铝表面为止。 
表1-2列出纯铝自动交流等离子弧焊接的工艺参数。表1-3列出铝合金直流等离子弧焊接的工艺参数。
钛及钛合金的等离子弧焊接等离子弧焊能量密度高、线能量大、效率高。厚度2．5～15mm的钛及钛合金板材采用"小孔型"方法可一次焊透，并可有效地防止产生气孔，"熔透型"方法适于各种板厚，但一次焊透的厚度较小，3mm以上一般需开坡口。 
钛的弹性模量仅相当于铁的1/2，因此在应力相同的条件下，钛及钛合金焊接接头将发生比较显著的变形。等离子弧的能量密度介于钨极氩弧和电子束之间，用等离子弧焊接钛及钛合金时，热影响区较窄，焊接变形也较易控制。目前微束等离子弧焊已经成功地应用于薄板的焊接。采用3～10A的焊接电流可以焊接厚度为0.08～0.6mm的板材。 
由于液态钛的密度较小，表面张力较大，利用等离子弧的小孔效应可以单道焊接厚度较大的钛和钛合金，保证不致发生熔池坍塌，焊缝成形良好。通常单道钨极氩弧焊时工件的最大厚度不超过3mm，并且因为钨极距离熔池较近，可能发生钨极熔蚀，使焊缝渗入钨夹杂物。等离子弧焊接时，不开坡口就可焊透厚度达15mm的接头，不可能出现焊缝渗钨现象。 
钛板等离子弧焊接的工艺参数见表1-4。TC4钛合金等离子弧焊和TIG焊接接头的力学性能见表1-5。
焊接航天工程中应用的TC4钛合金高压气瓶的研究结果表明，等离子弧焊接头强度与氩弧焊相当，强度系数均为90%，但塑性指标比氩弧焊接头高，可达到母材的75%。根据30万吨合成氨成套设备的生产经验，用等离子弧焊接厚度10mm的TAl工业纯钛板材，生产率可比钨极氩弧焊提高5～6倍，对操作的熟练程度要求也较低。 
纯钛等离子弧焊的气体保护方式与钨极氩弧焊相似，可采用氩弧焊拖罩，但随着板厚的增加、焊速的提高，拖罩要加长，使处于350℃以上的金属得到良好保护。背面垫板上的沟槽尺寸一般宽度和深度各为2.0～3.0mm，同时背面保护气体的流量也要增加。厚度15mm以上的钛板焊接时，开6～8mm钝边的V形或U形坡口，用"小孔型"等离子弧焊封底，然后用"熔透型"等离子弧填满坡口。用等离子弧封底可以减少焊道层数，减少填丝量和焊接角变形，提高生产率。"熔透型"多用于厚度3mm以下薄件的焊接，比钨极氩弧焊容易保证焊接质量。
银与铂的微束等离子弧焊接银与铂都属于贵金属，价格昂贵。银与铂可制成板材、带材、线材等常用于微电子,仪器仪表、医药等特殊产品或军工产品。 
银与铂电子器件的微束等离子弧接的工艺要点如下： 
a．焊前将银与铂的接头处清理干净； 
b．将两种金属预热到400～500℃， 
c．采用微束脉冲等离子弧，维弧电流为24A； 
d．保护气体流量为6L/min，离子气流量为0.5L/min。 
银与铂电子器件微束等离子弧焊接的工艺参数见表1-6
超薄壁管子的微束等离子弧焊
索引：用焊接工艺制造超薄壁有缝管是把带材卷成圆管，然后焊接起来。这种方法工艺简单生产率高、成本低(为无缝管的50%左右)，受到国内外生产厂家的极大重视。微束等离子电弧是一种能量高度集中的热源。电弧经过压缩，其稳定性比自由电弧(例如氩弧)好得多，并且工作弧长可以比自由电弧长。因此，观察焊接过程比较方便，超薄壁管子常用微束等离子弧焊接。 
关键词：超薄壁管，微束等离子弧焊接 
超薄壁管在许多工业部门中有着广泛的应用，可用来制造金属软管、波纹管、扭力管、热交换器的换热管、仪器仪表的谐振筒等，还有时是在高温高压、复杂振动和交变载荷下用来输送各种腐蚀性介质。用焊接工艺制造超薄壁有缝管是把带材卷成圆管，然后焊接起来。 
这种方法工艺简单生产率高、成本低(为无缝管的50%左右)，受到国内外生产厂家的极大重视。 
微束等离子电弧是一种能量高度集中的热源。电弧经过压缩，其稳定性比自由电弧(例如氩弧)好得多，并且工作弧长可以比自由电弧长。因此，观察焊接过程比较方便，超薄壁管子常用微束等离子弧焊接。 
超薄壁管子微束等离子弧焊接具有以下优点： 
a．焊接的带材厚度比氩弧焊小，·通常厚度为0．1～0．5mm，不需卷边就能焊接，焊接质量好。　 
b．在管子连续自动焊接时，等离子弧长的变化对焊接质量影响不大，这点与氩弧焊不同，氩弧焊弧长变化对焊接质量影响很大。 
c．在焊接电流很小时(小于3A)，微束等离子弧稳定性好，而氩弧有时游动，稳定较差。 
d．微束等离子弧由于热量集中，焊接速度高于氩弧焊，生产率高。 
e．能焊接多种金属，包括不锈钢、有色金属和难熔金属等。 
超薄壁管子连续自动微束等离子弧焊接，类似于封闭压缩弧焊过程。在焊接模套和焊枪之间安装绝缘套，使等离子焊枪与金属零件可靠绝缘，同时把保护氩气封闭在一个小室中，超薄壁管子微束等离子弧焊工艺参数较氩弧焊多，除了焊接电流、焊接速度、保护气体流量外，还有工作气体的流量、保护气体的成分、保护气体流量与工作气体流量之比等，这些参数均影响焊接质量。　 
工作气体流量大，电弧挺度好，电弧很容易引出喷嘴，转移弧建立容易；工作气体流量小，电弧挺度差，转移弧建立较困难。但工作气体流量不能过大，太大会形成切割，焊缝成形不良。保护气体用氢氩混合气体保护效果好，一般用5%的氢气，其余为氩气。有时也加氦气，但氦气价格昂贵，只有对某些有色金属焊接时才用。经验表明，保护气体流量与工作气体流量有一个最佳比值，这要通过试验确定。 
表1-1列出12Crl8Nil0Ti不锈钢超薄壁管子自动微束等离子弧焊的工艺参数。 
经验表明，影响超薄壁管子生产率的最主要的工艺参数是焊接电流、工作气体的流量和喷嘴小孔直径等。 
铜及其合金超薄壁管子的焊接工艺与不锈钢管子的焊接工艺有许多共同点。但是，由于彼此的物理性能特点不同，如线胀系数和导热性高、焊缝形成气孔倾向大、合金元素锌(黄铜)、铍(铍青铜)容易烧损等，焊接时必须采取以下附加措施(其他工艺措施同不锈钢)。 
a．在焊接处必须建立起封闭小室，用氦气作为保护气体，，以避免熔池氧化，提高保护效果。 
b．用钼喷嘴代替铜喷嘴。由于钼喷嘴的热导宰相当低(比铜小2．7倍)，加热到高温时呈炽热的桃红色，妨碍锌和铍的蒸发和沉积作用，可以减少锌和铍的烧损。 
c.必须利用软态带材制造超薄壁管子。 
在封闭小室中用氦气作保护气体也能够用微束等离子弧焊接钛和锆的超薄壁管子。表1-2列出铜及其合金、钛和锆超薄壁管子的微束等离子弧焊接的工艺参数。
安全防护技术
防电击等离子弧焊接和切割用电源的空载电压较高，尤其在手工操．228·
作时，有电击的危险。因此，电源在使用时必须可靠接地，焊枪枪体或割枪枪体与手触摸部分必须可靠绝缘。可以采用较低电压引燃非转移弧后再接通较高电压的转移弧回路。如果启动开关装在手把上，必须对外露开关套上绝缘橡胶套管，避免手直接接触开关。尽可能采用自动操作方法。
防电弧光辐射电弧光辐射强度大，它主要由紫外线辐射、可见光辐射与红外线辐射组成。等离子弧较其它电弧的光辐射强度更大，尤其是紫外线强度，故对皮肤损伤严重，操作者在焊接或切割时必须带上良好的面罩、手套，最好加上吸收紫外线的镜片。自动操作时，可在操作者与操作区设置防护屏。等离子弧切割时，可采用水中切割方法，利用水来吸收光辐射。
防灰尘与烟气等离子弧焊接与切割过程中伴随有大量汽化的金属蒸气、臭氧、氮化物等。尤其切割时，由于气体流量大，致使工作场地上的灰一尘大量扬起，这些烟气与灰尘对操作工人的呼吸道、肺等产生严重影响。切割时，在栅格工作台下方还可以安置排风装置，也可以采取水中切割方法。
防噪声等离子弧会产生高强度、高频率的噪声，尤其采用大功率等离子弧切割时，其噪声更大，这对操作者的听觉系统和神经系统非常有害。其噪声能量集中在2000^8000Hz范围内。要求操作者必须戴耳塞。在可能的条件下，尽量采用自动化切割，使操作者在隔音良好的操作室内工作，也可以采取水中切割方法，利用水来吸收噪声。
等离子弧稳定性研究
等离子弧的稳定性直接影响着切割质量，等离子电弧不稳定现象，会导致切口参差不齐、积瘤等缺陷，也会导致控制系统的相关元件寿命降低，喷嘴、电极频繁更换。针对此现象，进行分析并提出一些办法。 
1.气压或流量过低
等离子弧切割机工作时，如工作气压远远低于说明书所要求的气压，这意味着等离子弧的喷出速度减弱，输入空气流量小于规定值，此时不能形成足够多的带有高能量、高速度的负离子，从而造成切口质量差、切不透、切口积瘤的现象。气压不足的原因有：输入空气压力或流量不足，切割机空气调节阀调压过低，电磁阀内有油污，气路不通畅等。
解决方法是，使用前注意观察空压机输出压力显示，如不符合要求，可调整压力或检修空压机。如输入气压已达要求，应检查空气过滤减压阀的调节是否正确，表压显示能否满足切割要求。否则应对空气过滤减压阀进行日常维护保养，确保输入空气干燥、无油污。如果输入空气质量差，会造成电磁阀内产生油污，阀芯开启困难，阀口不能完全打开。另外，割炬喷嘴气压过低，还需更换电磁阀；气路截面变小也会造成气压过低，可按说明书要求更换气管。
2.气压过高
若输入空气压力远远超过0.45MPa，则在形成等离子弧后，过大的气流会吹散集中的弧柱，使弧柱能量分散，减弱了等离子弧的切割强度。造成气压过高的原因有：输入空气调节不当、空气过滤减压阀调节过高或者是空气过滤减压阀失效。
解决方法是，检查空压机压力是否调整合适，空压机和空气过滤减压阀的压力是否失调。开机后，如旋转空气过滤减压阀调节开关，表压无变化，说明空气过滤减压阀失灵，需更换。
3.割炬喷嘴和电极烧损
因喷嘴安装不当，如丝扣未上紧，设备各挡位调整不当，需用水冷却的割炬在工作时，未按要求通入流动的冷却水以及频繁起弧，都会造成喷嘴过早损坏。
解决方法是，按照切割工件的技术要求，正确调整设备各挡位，检查割炬喷嘴是否安装牢圄，需通冷却水的喷嘴应提前使冷却水循环起来。切割时，根据工件的厚度调整割炬与工件之间的距离。
4.地线与工件接触不良
接地是切割前一项必不可少的准备工作。未使用专用的接地工具，工件表面有绝缘物及长期使用老化严重的地线等，都会使地线与工件接触不良。
应使用专门的接地工具，并检查是否有绝缘物影响地线与工件表面接触，避免使用老化的接地线。
5.火花发生器不能自动断弧
等离子切割机工作时，首先要引燃等离子弧，由高频振荡器激发电极与喷嘴内壁之间的气体，产生高频放电，使气体局部电离而形成小弧，这一小弧受压缩空气的作用，从喷嘴喷出以引燃等离于弧，这是火花发生器主要的任务。正常情况下，火花发生器的工作时间只有0.2～0.5s，不能自动断弧的原因一般是控制线路板元件失调，火花发生器的放电电极间隙不合适。
应经常检查火花发生器放电电极，使其表面保持平整，适时调整火花发生器的放电电极间隙与割炬电极喷嘴之间的间隙相适应，必要时更换控制板或更换电极喷嘴。
6.离子气的旋转 
旋转的离子气有利有提高等离子弧的挺直度同时更具稳定性。因此，我们要选用会使离子气旋转的分配器。 
7.其他
除以上原因外，电流和喷嘴孔径的配合、切割速度（恒定）、切割时割炬与工件的位置、离子气和保护气的种类，以及操作者的个人因素等，都对等离子弧的稳定性起作用。 [1]
总之， 提高电弧稳定性有利于提高切割质量。