基本信息
縮寫abbr. ：PAW.[軍] Plasma-Arc Welding, 等離子弧焊
——簡明英漢詞典
工作方式
等離子弧有兩種工作方式。一種是“非轉移弧”，電弧在鎢極與噴嘴之間燃燒，主要用於等離子噴鍍或加熱非導電材料；另一種是“轉移弧”，電弧由輔助電極高頻引弧後，電弧燃燒在鎢極與工件之間，用於焊接。形成焊縫的方式有熔透式和穿孔式兩種。前一種形式的等離子弧只熔透母材，形成焊接熔池，多用於0.8～3毫米厚的板材焊接；後一種形式的等離子弧只熔穿板材，形成鑰匙孔形的熔池，多用於 3～12毫米厚的板材焊接。此外，還有小電流的微束等離子弧焊，特別適合於0.02～1.5毫米的薄板焊接。等離子弧焊接屬於高質量焊接方法。焊縫的深/寬比大，熱影響區窄，工件變形小，可焊材料種類多。特別是脈衝電流等離子弧焊和熔化極等離子弧焊的發展，更擴大了等離子弧焊的使用範圍。過程特點
操作方式
等離子弧焊與TIG焊十分相似，它們的電弧都是在尖頭的鎢電極和工件之間形成的。但是，通過在焊炬中安置電極，能將等離子弧從保護氣體的氣囊中分離出來，隨後推動等離子通過孔型良好的銅噴管將弧壓縮。通過改變孔的直徑和等離子氣流速度，可以實現三種操作方式：1、微束等離子：0.1～15A
在很低的焊接電流下，材蓯褂夢⑹?壤胱踴 <詞乖諢〕け浠?懷??0mm時，柱狀弧仍能保持穩定。 >
2、中等電流：15～200A
在較大的15～200A電流下，等離子弧的過程特點與TIG弧相似，但由於等離子被壓縮過，弧更加挺直。雖然可提高等離子氣流速度來增加焊接熔池的度深，但會造成在紊亂的保護氣流中，混入空氣和保護氣體的風險。
3、小孔型等離子：大於100A
通過增加焊接電流和等離子氣流速度，可產生強有力的等離子束，與雷射或電子束焊接一樣，它能夠在材料上形成充分的熔深。焊接時，隨著焊接熔池的流動，金屬穿過小孔被切割後在表面張力作用下形成焊道。單道焊時，該過程可用於焊接較厚的材料（厚度不超過10mm的不鏽鋼）。
電源
使用等離子弧焊時，通常採用直流電流和垂降特性電源。由於從特別的焊炬排列方式和各自分離的等離子、保護氣流中獲得了獨特的操作特性，可在等離子控制台上增加一個普通的TIG電源，還可以使用特別組建的等離子系統。採用正弦波交流電時，不容易使等離子弧穩定。當電極和工件間距較長且等離子被壓縮時，等離子弧很難發揮作用，而且，在正半周期內，過熱的電極會使導電嘴變成球形，從而干擾弧的穩定。可使用專用的直流開關電源。通過調節波形的平衡來減少電極正極的持續時間，使電極得到充分冷卻，以維護尖頭導電嘴形狀，並形成穩定的弧。
起弧
雖然等離子弧是通過採用高頻產生的，但它首先是在電極和等離子噴嘴之間形成的。該維弧被裝在焊炬中，需要焊接時，再將它轉移到工件上。與在焊縫間保持的維弧相同，維弧系統能確保穩定的起弧，這避免了對產生電子干涉的高頻的需要。電極
用於等離子過程使用的是含2%氧化釷的鎢電極和銅的等離子噴嘴。與TIG焊使用的導電嘴不同，在等離子過程中，對電極導電嘴的直徑要求不那么嚴格，但壓縮角須保持在30°～60°左右。等離子噴嘴孔的直徑是很重要的，在相同的電流強度和等離子氣流速度下，孔直徑太小會導致噴嘴被過度腐蝕甚至熔化。在工作電流下，需要謹慎使用直徑過大的等離子噴嘴。註：孔的直徑過大，可能會對弧的穩定及孔的維護造成困難。
等離子和保護氣體
通常等離子氣體的組合氣體是氬氣，並含有2%～5%的氬氣作為保護氣體。氦氣也能用做等離子氣體，但由於它溫度較高，會降低噴嘴的電流上升率。氫氣含量越少，進行小孔型等離子焊接就越困難。套用
微束離子焊接
微束離子通常用於焊接薄板材（厚度為0.1mm）、焊絲和網孔部分。針型挺直的弧能將弧的偏離和變形減到最小。雖然等效的TIG 弧更擴散，但更新的電晶體化的（TIG）電源能在低電流下產生非常穩定的弧。中等電流焊接
在熔化方式下可選擇該方法進行傳統的TIG焊。 它的優點是能產生較深的熔深（願於較高的等離子氣流），能容許包括藥皮（焊炬中的焊條）在內的較大的表面污染。主要缺點是焊炬笨重，使手工焊接比較困難。在機械化焊接中，應該更加注意焊炬的維護以保證穩定的性能。小孔型焊接
可用的幾點優勢是：熔深較深、焊接速度快。與TIG 弧相比，它能焊透厚度達10mm的板材，但使用單道焊接技術時，通常將板材厚度限制在6mm內。通常的方法是使用有填充物的小孔，以確保焊道斷面的光滑（無齒邊）。由於厚度達到了15mm，要使用6mm厚的鈍邊進行V型接頭準備。也可使用雙道焊技術，在熔化方式下通過添加填充焊絲，自動生成第一和第二條焊道。必須精確地平衡焊接參數、等離子氣流速度和填充焊絲的添加量（填入小孔）以維護孔和焊接熔池的穩定，這一技術只適用於機械化焊接。雖然通過使用脈衝電流，該技術能用於位置焊接，但它通常是用於對較厚的板材材料（超過3mm）進行高速平焊。進行管道焊接時，必須精確地控制溢出電流和等離子氣流速度以確保小孔關閉。
等離子弧焊接和切割
工作原理
等離子弧切割是一種常用的金屬和非金屬材料切割工藝方法。它利用高速、高溫和高能的等離子氣流來加熱和熔化被切割材料，並藉助內部的或者外部的高速氣流或水流將熔化材料排開直至等離子氣流束穿透背面而形成割口。等離子弧焊接和切割：
1.1 等離子弧的產生：
（1）等離子弧的概念：
自由電弧：未受到外界約束的電弧，如一般電弧焊產生的電弧。
等離子弧：受外部拘束條件的影響使孤柱受到壓縮的電弧。
自由電弧弧區內的氣體尚未完全電離，能量未高度集中，而等離子弧弧區內的氣體完全電離，能量高度集中，能量密度很大，可達10~10W/cm2，電弧溫度可高達24000～50000K（一般自由狀態的鎢極氬弧焊最高溫度為10000～20000K，能量密度在10W/cm2以下）能迅速熔化金屬材料，可用來焊接和切割。
（2）等離子弧的產生
等離子弧發生裝置如圖6-4-1所示。
在鎢極與噴嘴之間或鎢極與工件之間加一較高電壓，經高頻振盪使氣體電離形成自由電弧，該電弧受下列三個壓縮作用形成等離子弧。
①機械壓縮效應（作用）——電弧經過有一定孔徑的水冷噴嘴通道，使電弧截面受到拘束，不能自由擴展。
②熱壓縮效應——當通入一定壓力和流量的氬氣或氮氣時，冷氣流均勻地包圍著電弧，使電弧外圍受到強烈冷卻，迫使帶電粒子流（離子和電子）往弧柱中心集中，弧柱被進一步壓縮。
③電磁收縮效應——定向運動的電子、離子流就是相互平行的載流導體，在弧柱電流本身產生的磁場作用下，產生的電磁力使孤柱進一步收縮。
電弧經過以上三種壓縮效應後，能量高度集中在直徑很小的弧柱中，弧柱中的氣體被充分電離成電漿，故稱為等離子弧。
當小直徑噴嘴，大的氣體流量和增大電流時，等離子焰自噴嘴噴出的速度很高，具有很大的衝擊力，這種等離子弧稱為“剛性弧”，主要用於切割金屬。反之，若將等離子弧調節成溫度較低、衝擊力較小時，該等離子弧稱為“柔性弧”，主要用於焊接。
1.2 等離子弧焊接
1.2.1 基本知識
用等離子弧作為熱源進行焊接的方法稱為等離子孤焊接。
焊接時離子氣（形成離子弧）和保護氣（保護熔池和焊縫不受空氣的有害作用）均為氬氣。
等離子弧焊所用電極一般為鎢極（與鎢極氬弧焊相同，國內主要採用釷鎢極和鈰鎢極，國外還採用鋯鎢極和鋯極），有時還需填充金屬（焊絲）。一般均採用直流正接法（鎢棒接負極）。故等離子弧焊接實質上是一種具有壓縮效應的鎢極氣體保護焊。
1.2.2 等離子弧焊接的分類：
1．小孔型等離子弧焊
小孔型焊又稱穿孔、鎖孔或穿透焊。利用等離子弧能量密度大、和等離子流力強的特點，將工件完全熔透並產生一個貫穿工件的
小孔。被熔化的金屬在電弧吸力、液體金屬重力與表面張力相互作！用下保持平衡。焊槍前進時，小孔在電弧後方鎖閉，形成完全熔透‘的焊縫。
穿孔效應只有在足夠的能量密度條件下才能形成。板厚增加：所需能量密度也增加。由於等離子弧能量密度的提高有一定限制，爵因此小孔型等離子弧焊只能在有限板厚內進行。
2.熔透型等離子弧焊
當離子氣流量較小、弧抗壓縮程度較弱時，這種等離子弧在焊接過程中只熔化工件而不產生小孔效應。焊縫成形原理和鎢極氫弧焊類似，此種方法也稱熔入型或熔蝕法等離子弧焊。主要用於薄板加單面焊雙面成形及厚板的多層焊。
3.微束等離子弧焊
15 ^30A以下的熔入型等離子弧焊接通常稱為微束等離子弧焊接。由於噴嘴的拘束作用和維弧電流的同時存在，使小電流的等離子弧可以十分穩定，目前已成為焊接金屬薄箔的有效方法。為保證焊接質量，應採用精密的裝焊夾具保證裝配質量和防止焊接變形。工件表面的清潔程度應給予特別重視。為了便於觀察，可採用光學放大觀察系統。
1.2.3 等離子弧焊接的特點及套用：
特點
（1）微束等離子弧焊可以焊接箔材和薄板。（2）具有小孔效應，能較好實現單面焊雙面自由成形。
（3）等離子弧能量密度大，弧柱溫度高，穿透能力強，10～12mm厚度鋼材可不開坡口，能一次焊透雙面成形，焊接速度快，生產率高，應力變形小。
（4）設備比較複雜，氣體耗量大，只宜於室內焊接。
套用
廣泛用於工業生產，特別是航空航天等軍工和尖端工業技術所用的銅及銅合金、鈦及鈦合金、合金鋼、不鏽鋼、鉬等金屬的焊接，如鈦合金的飛彈殼體，飛機上的一些薄壁容器等。各種焊接方法及設備
等離子弧的類型
按電源連線方式的不同，等離子弧有非轉移型、轉移型和聯合型三種形式見圖23。（1）非轉移型等離子弧 鎢極接電源負端，噴嘴接電源正端，等離子弧體產生在鎢極與噴嘴之間，在等離子氣體壓送下，弧柱從噴嘴中噴出，形成等離子焰。
（2）轉移型等離子弧 鎢極接電流負端，焊件接電流正端，等離子弧產生的鎢極和焊件之間。因為轉移弧能把更多的熱量傳遞給焊件，所以金屬焊接、切割幾乎都是採用轉移型等離子弧。
（3）聯合型等離子弧 工作時非轉移弧和轉移弧同時並存，故稱為聯合型等離子弧。非轉移弧起穩定電弧和補充加熱的作用，轉移弧直接加熱焊件，使之熔化進行焊接。主要用於微束等離子弧焊和粉末堆焊。
轉移型等離子弧的產生方法
為建立轉移型等離子弧，應將鎢極接電源負極，噴嘴和焊件同時接正極，轉移型弧示意圖見圖24。首先接通鎢極與噴嘴之間的電路，引燃鎢極與噴嘴之間的電弧，接著迅速接通鎢極和焊件之間的電路，使電弧轉移到鎢極和焊件之間直接燃燒，同時切斷鎢極和噴嘴之間的電路，轉移型等離子弧就正式建立。在正常工作狀態下，噴嘴不帶電，在開始引燃時產生的等離子弧，只是作為建立轉移弧的中間媒介。
常用等離子弧焊的基本方法
常用的等離子弧焊基本方法有小孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊和微束等離子弧焊三種。（1）小孔型等離子弧焊 使用較大的焊接電流，通常為50～500A，轉移型弧。施焊時，壓縮的等離子焰流速度較快，電弧細長而有力，為熔池前端穿透焊件而形成一個小孔，焰流穿過母材而噴出，稱為 “小孔效應”，其示意圖見圖25。隨著焊槍的前移，小孔也隨著向前移動，後面的熔化金屬凝固成焊縫。由於等離子弧能量密度的提高有一定限制，因此小孔型等離子弧焊只能在有限厚板內進行焊接，見表2。
表2 小孔型等離子弧焊一次焊透厚度 （mm）
不鏽鋼 ≤8
鈦及鈦合金 ≤12
鎳及鎳合金 ≤6
低合金鋼 ≤7
低碳鋼 ≤8
（2）熔透型等離子弧焊 當等離子氣流量較小、弧柱壓縮程度較弱時，此種等離子弧在焊接過程中只熔化焊件而不產生小孔效應，焊縫成形原理與鎢極氬弧焊相似，稱為熔透型等離子弧焊，主要用於厚度小於2～3mm的薄板單面焊雙面成形及厚板的多層焊。
（3）微束等離子弧焊 焊接電流30A以下熔透型焊接稱為微束等離子弧焊。採用小孔徑壓縮噴嘴（ф0.6mm～ф1.2mm）及聯合型弧，當焊接電流小至1A以下，電弧仍能穩定地燃燒，能夠焊接細絲和箔材。
等離子弧焊設備
設備組成
和鎢極氫弧焊一樣，按操作方式，等離子弧焊設備可分為手工焊和自動焊兩類。手工焊設備由焊接電源、焊槍、控制電路、氣路和水路等部分組成。自動焊設備則由焊接電源、焊槍、焊接小車（或轉動夾具）、控制電路、氣路及水路等部分組成。焊接電源
下降或垂直下降特性的整流電源或弧焊發電機均可作為等離子弧焊接電源。用純氫作為離子氣時，電源空載電壓只需65-80V；用氫、氫混合氣時，空載電壓需110-120 0大電流等離子弧都採用等離子弧，用高頻引燃非轉移弧，然後轉移成轉移弧。
30A以下的小電流微束等離子弧焊接採用混合型弧，用高頻或接觸短路回抽引弧。由於非轉移弧在非常焊接過程中不能切除因此一般要用兩個獨立的電源。
氣路系統
等離子弧焊機供氣系統應能分別供給可調節離子氣、保護氣、背面保護氣。為保證引弧和熄弧處的焊接質量，離子氣可分兩路供給，其中一路可經氣閥放空，以實現離子氣流衰減控制。控制系統
手工等離子弧焊機的控制系統比較簡單，只要能保證先通離子氣和保護氣，然後引弧即可。自動化等離子弧焊機控制系統通常由高頻發生器，小車行走。填充焊口逆進拖動電路及程控電路組成。程控電路應能滿足提前送氣、高頻引弧和轉弧、離子氣遞增、延遲行走、電流和氣流衰減熄弧。延遲停氣等控制要求。國外焊接技術最新進展
一種新開發的用於等離子弧焊的焊矩系統，採用反極性電極和選用100~200A焊接電流可以經濟有效地焊接鋁製零件，焊接質量很好。經對各種鋁鎂合金的焊接試驗表明：在焊接2~8mm的板材時，可以使用熔入和鎖孔式焊接技術。使用電極極性可變的鎖孔技術進行等離子弧焊，可用來焊圓周焊縫，如AlMg3管道、法蘭盤以及GK－AlSi7Mg冷鑄合金製造的形狀各異的零件，能夠進行8mm壁厚材料的無坡口對焊連線。使用新開發的特殊氣體控制系統可以無缺陷地完成圓周焊縫的收尾焊接。由於只在鑄件一側才會產生氣孔，因此要確定鑄件熔化金屬的原子氫含量。如果鑄件熔化金屬中的氫含量低於0.3mL/100g，焊縫產生的氣孔就很少。採用此方法要修復的焊縫總長度可達39m，占整個焊縫長度的27.2%。
在研究開發最現代化的電源和控制技術條件下，採用等離子弧焊技術是一種質量最佳、經濟有效、重複性好的連線工藝。另外，通過調節電流，確保厚板等離子弧對接接頭焊接時產生鎖孔的感測器系統、導電的熔池支撐與被焊板材絕緣，並通過帶電的車架在等離子弧穿透時測量電流，並隨之移動。
這種新的工藝與TIG焊接相比具有如下特點：
（1）採用等離子弧焊時的特定工藝優點，不僅主要表現在微型等離子弧焊的板材厚度範圍方面，而且涉及使用鎖孔技術。
套用範圍包括：表面堆焊、噴塗和焊接。通過可調頻率使用低脈衝焊接電流，等離子弧焊可以更好的方式控制電弧能量的大小，能夠通過現代控制系統可靠地同步監測各種設定值的執行情況。電晶體的焊接電源，如 AUTOTIG系列，可以精確地按照技術規格的規定運行。
（2）用粉末等離子弧焊焊接薄板和管道時，具有焊接速度快、熱輸入小和變形小等優點。
（3）等離子弧焊接時，鎖孔技術的優點還清楚地表現在板厚達10mm的材料焊接方面。在套用技術中，粉末等離子弧焊接具有穩固的市場地位。這種新的工藝也將會在機器人上得到套用。
等離子弧焊的工藝參數
楊懷文索引：等離子弧焊的幾個工藝參數
關鍵字：焊接電流，焊接速度，噴嘴離工件的距離，等離於氣及流量，引弧及收弧，接頭形式和裝配要求，
(1)焊接電流
焊接電流是根據板厚或熔透要求來選定。焊接電流過小，難於形成小孔效應：焊接電流增大，等離子弧穿透能力增大，但電流過大會造成熔池金屬因小孔直徑過大而墜落，難以形成合格焊縫，甚至引起雙弧，損傷噴嘴並破壞焊接過程的穩定性。因此，在噴嘴結構確定後，為了獲得穩定的小孔焊接過程，焊接電流只能在某一個合適的範圍內選擇，而且這個範圍與離子氣的流量有關。
(2)焊接速度
焊接速度應根據等離子氣流量及焊接電流來選擇。其他條件一定時，如果焊接速度增大，焊接熱輸入減小，小孔直徑隨之減小，直至消失，失去小孔效應。如果焊接速度太低，母材過熱，小孔擴大，熔池金屬容易墜落，甚至造成焊縫凹陷、熔池泄漏現象。因此，焊接速度、離子氣流量及焊接電流等這三個工藝參數應相互匹配。
(3)噴嘴離工件的距離
噴嘴離工件的距離過大，熔透能力降低：距離過小，易造成噴嘴被飛濺物堵塞，破壞噴嘴正常工作。噴嘴離工件的距離一般取3～8mm。與鎢極氬弧焊相比，噴嘴距離變化對焊接質量的影響不太敏感。
(4)等離於氣及流量
等離子氣及保護氣體通常根據被焊金屬及電流大小來選擇。大電流等離子弧焊接時，等離子氣及保護氣體通常採取相同的氣體，否則電弧的穩定性將變差。小電流等離子弧焊接通常採用純氬氣作等離子氣。這是因為氧氣的電離電壓較低，可保證電弧引燃容易。
離子氣流量決定了等離子流力和熔透能力。等離子氣的流量越大，熔透能力越大。但等離子氣流量過大會使小孔直徑過大而不能保證焊縫成形。因此，應根據噴嘴直徑、等離子氣的種類、焊接電流及焊接速度選擇適當的離子氣流量。利用熔人法焊接時，應適當降低等離子氣流量，以減小等離子流力。
保護氣體流量應根據焊接電流及等離子氣流量來選擇。在一定的離子氣流量下，保護氣體流量太大，會導致氣流的紊亂，影響電弧穩定性和保護效果。而保護氣體流量太小，保護效果也不好，因此，保護氣體流量應與等離子氣流量保持適當的比例。
小孔型焊接保護氣體流量一般在15～30L/min範圍內。採用較小的等離子氣流量焊接時，電弧的等離子流力減小，電弧的穿透能力降低，只能熔化工件，形不成小孔，焊縫成形過程與TIG焊相似。這種方法稱為熔入型等離子弧焊接，適用於薄板、多層焊的蓋面焊及角焊縫的焊接。
(5)引弧及收弧
板厚小於3mm時，可直接在工件上引弧和收弧。利用穿孔法焊接厚板時，引弧及熄弧處容易產生氣孔、下凹等缺陷。對於直縫，可採用引弧板及熄弧板來解決這個問題。先在引弧板上形成小孔，然後再過渡到工件上去，最後將小孔閉合在熄弧板上。
大厚度的環縫，不便加引弧板和收弧板時，應採取焊接電流和離子氣遞增和遞減的辦法在工件上起弧，完成引弧建立小孔並利用電流和離子氣流量衰減法來收弧閉合小孔。
(6)接頭形式和裝配要求
工件厚度大於1.6mm時，小於表1-1列舉的厚度時，採用I形坡口，用穿孔法單面焊雙面成形一次焊透。工件厚度大於表1-1列舉的數值時，根據厚度不同，可開V形、U形或雙V形、雙U形坡口。
工件厚度小於1．6mm，採用微束等離子弧焊時，接頭形式有對接、卷邊對接、卷邊角接、端面接頭。當厚度小於0．8mm時，接頭裝配要求見表1-2。
等離子弧焊直接金屬成形技術的工藝研究
摘 要：提出了一種基於等離子弧焊的直接金屬成形新方法,通過對成形工藝的試驗研究,確定了焊接電流、成形速度與成形軌跡寬度之間的對應關係;針對成形輪廓的表面質量問題,實施了根據輪廓矢量進行切向送絲的填充方案;並採用循環水冷的溫控措施解決了成形過程的過熱問題。送絲角度對成形軌跡的影響
本文在實驗中發現,對零件外輪廓進行掃描時,填充絲材送入的方向同外輪廓切向的夾角對輪廓成形的質量有顯著的影響。在直接金屬成形系統運動機構的早期設計中, 焊炬和送絲機構固定不動,保持送絲方向在空間上不變, 這樣當XY 二維工作檯沿著成形輪廓插補運動時, 送絲方向與成形輪廓的運動方向就會形成一定的夾角α,如圖3。當夾角α較小時,軌跡成形所受影響不大,但是, 當α增加到一定程度後成形軌跡的表面波紋度開始增大,表面質量明顯變差。
圖4是不同送絲角度下成形軌跡的形貌。可以看出,送絲角度保持在小角度範圍內時,成形軌跡表面質量較好;而隨著送絲角度的增加,成形軌跡表面的波浪度增大;當送絲角度進一步增大時,熔化的焊絲不能進入熔池,團成球狀凝結於掃描路徑外側,不能形成完整的軌跡。
成形過程不均勻的熱場和力場分布,是造成這種現象的主要原因。小角度,特別是切向送絲時,焊絲送入的方向與焊接熱場移動的方向相符,焊絲能夠得到足夠的熱量迅速熔化,並與熔池形成搭橋過渡,順利進入熔池,如圖5。固定送絲方向時,隨著焊絲與軌跡切向夾角的增大,焊絲吸收的熱量減少,難以形成順利的搭橋過渡,焊絲熔化後團聚成球狀,難以送入熔池中心,在自重作用下落於熔池邊緣,如圖6。
成形件的外輪廓總是由各種形式的曲線構成的,如果在成形曲線的過程中保持送絲的角度不變,勢必會引起熔滴過渡的條件時好時壞,容易在曲線軌跡表面形成圖7中所示的積瘤、夾絲等缺陷。因此,成形過程中,為了保證成形軌跡輪廓的一致均勻性,應根據成形輪廓切向的變化,不斷調整送絲角度,使二者保持一致,如圖8。
為了方便送絲角度的動態調整,本文對直接金屬成形系統的機構部分進行了改進,將先前固定的焊炬和送絲機構置於迴轉工作檯上,迴轉工作檯通過步進電機在計算機系統的控制下可以隨掃描軌跡的走向自適應鏇轉,以保證送絲機構沿掃描輪廓的切向均勻連續地送絲。圖9即為改進後的直接金屬成形系統部分實物照片,圖10是採用送絲角度調整後成形輪廓的外觀情況,通過送絲角度的調整,成形件的外觀質量得到了改善。
冷卻措施
在成形過程中,成形件要承受電弧熱量的連續輸入,從而造成其整體溫度升高,成形軌跡熱影響區變大,熔池金屬流動性增強等熱效應,這對於控制成形件表面質量極為不利。而焊後引起的整體熱變形對成形件的尺寸及形狀都有很大的影響。對於具有薄壁特徵的成形件,其傳熱途徑更為局限,因此,這種熱效應就更為嚴重(如圖11) 。因此,有必要採取可靠的傳熱措施,控制成形過程中成形件的熱量傳遞。
針對這種現象,本文在實驗中採用循環水冷的方法,增強成形過程中成形件的熱量傳遞。具體實施方法如圖12所示,將基底放入水槽中進行焊接成形;當成形過程中出現過熱效應時,開始通入循環冷卻水;並使冷卻水的液面始終與當前熔焊層保持3 mm～5 mm的距離,以保持良好的散熱效果。這樣可以大大改善成形件的熱傳遞過程,同時也可在一定程度上增強保護氣體的保護效果。
等離子焊優點
等離子是指在標準大氣壓下溫度超過3000℃的氣體，在溫度譜上可以把其看作為繼固態、液態、氣態之後的第四種物質狀態。等離子是由被激活的高子、電子、原子或分子組成。例如：它可通過自然界中的閃電產生。從1960年以後，等離子這個詞獲得了新的含義，那就是電弧通過渦流環或噴嘴壓縮而形成的高能量狀態，此原理現在被廣泛用於鋼鐵、化工及機械工程工業。等離子弧焊是在鎢極氬弧焊的基礎上發展起來的一種焊接方法。鎢極氬弧焊使用的熱源是常壓狀態下的自由電弧，簡稱自由鎢弧。等離子弧焊用的熱源則是將自由鎢弧壓縮強化之後而獲得電離度更高的電弧電漿，稱等離子弧，又稱壓縮電弧。兩者在物理本質上沒有區別，僅是弧柱中電離程度上的不同。經壓縮的電弧其能量密度更為集中，溫度更高。
等離子弧的最大電壓降是在弧柱區里，這是由於弧柱被強烈壓縮，使電場強度明顯；增大的緣故。因此，等離子弧焊主要是利用弧柱電漿熱來加熱金屬，而自由鎢弧是利用兩電極區產生的熱來加熱母材和電極金屬。
等離子弧的特性
等離子弧的靜特性曲線接近U形(圖1-2)。與自由鎢弧比較最大區別是電弧電壓比自由鎢弧高。此外，在小電流時，自由鎢弧靜特性為陡降(負阻特性)的，易與電源外特性曲線相切，使電弧失穩。而等離子弧則為緩降或平的，易與電源外特性相交建立穩定工作。表示了等離子弧與自由鎢弧的形態區別。等離子弧呈圓柱形，擴散角約5度左右，焊接時，當弧長發生波動時，母材的加熱面積不會發生明顯變化，而自由鎢弧呈圓錐形，其擴散角約45度，對工作距離變化敏感性大。
等離子弧的挺直度非常好。由於等離子弧是自由鎢弧經壓縮而成，故其挺度比自由鎢弧好，焰流速度大，可達300m/s以上，因而指向性好，噴射有力，其熔透能力強。
合金材料的等離子弧焊
綜述
穿孔型等離子弧焊接最適於焊接厚度3～8mm不鏽鋼、厚度12mm以下鈦合金、板厚2～6mm低碳或低合金結構鋼以及銅、黃銅、鎳及鎳合金的對接焊縫。這一厚度範圍內可不開坡口，不加填充金屬，不用襯墊的條件下實現單面焊雙面成形。厚度大於上述範圍時可採用V形坡口多層焊。高溫合金的等離子弧焊接
用等離子弧焊焊接固溶強化和Al、Ti含量較低的時效強化高溫合金時，可以填充焊絲也可以不加焊絲，均可以獲得良好質量的焊縫。一般厚板採用小孔型等離子弧焊，薄板採用熔透型等離子弧焊，箔材用微束等離子弧焊。焊接電源採用陡降外特性的直流正極性，高頻引弧，焊槍的加工和裝配要求精度較高，並有很高的同心度。等離子氣流和焊接電流均要求能遞增和衰減控制。焊接時，採用氬和氬中加適量氫氣作為保護氣體和等離子氣體，加入氫氣可以使電弧功率增加，提高焊接速度。氫氣加入量一般在5%左右，要求不大於15%。焊接時是否採用填充焊絲根據需要確定。選用填充焊絲的牌號與鎢極惰性氣體保護焊的選用原則相同。
高溫合金等離子弧焊的工藝參數與焊接奧氏體不鏽鋼的基本相同，應注意控制焊接熱輸入。鎳基高溫合金小孔法自動等離子弧焊的工藝參數見表1-1。在焊接過程中應控制焊接速度，速度過快會產生氣孔，還應注意電極與壓縮噴嘴的同心度。高溫合金等離子弧焊接接頭力學性能較高，接頭強度係數一般大於90%。
鋁及鋁合金的等離子弧焊接
等離子弧是以鎢極作為電極，等離子弧為熱源的熔焊方法。焊接鋁合金時，採用直流反接或交流。鋁及鋁合金交流等離子弧焊接多採用矩形波交流焊接電源，用氬氣作為等離子氣和保護氣體。對於純鋁、防鏽鋁，採用等離子弧焊，焊接性良好；硬鋁的等離子弧焊接性尚可。為了獲得高質量的焊縫應注意以下幾點。
a．焊前要加強對焊件、焊絲的清理，防止氫溶人產生氣孔，還應加強對焊縫和焊絲的保護。
b．交流等離子弧焊的許用等離子氣流量較小，流量稍大，等離子弧的吹力過大，鋁的液態金屬被向上吹起，形成凸凹不平或不連續的凸峰狀焊縫。為了加強鎢極的冷卻效果，可以適當加大噴嘴孔徑或選用多孔型噴嘴。
c．當板厚大於6mm時，要求焊前預熱100--200℃。板厚較大時用氦作等離子氣或保護氣，可增加熔深或提高效率。
d．需用的墊板和壓板最好用導熱性不好的材料製造(如不鏽鋼)。墊板上加工出深度lmm、寬度20～40mm的凹槽，以使待焊鋁板坡口近處不與墊板接觸，防止散熱過快。
e．板厚不大於lOmm時，在對接的坡口上海間隔150mm點固焊一點；板厚大於l0mm時，每間隔300mm點固焊一點。點固焊採用與正常焊接相同的電流。
f． 進行多道焊時，焊完前一道焊道後套用鋼絲或銅絲刷清理焊道表面至露出純淨的鋁表面為止。
表1-2列出純鋁自動交流等離子弧焊接的工藝參數。表1-3列出鋁合金直流等離子弧焊接的工藝參數。
鈦及鈦合金的等離子弧焊接
等離子弧焊能量密度高、線能量大、效率高。厚度2．5～15mm的鈦及鈦合金板材採用"小孔型"方法可一次焊透，並可有效地防止產生氣孔，"熔透型"方法適於各種板厚，但一次焊透的厚度較小，3mm以上一般需開坡口。鈦的彈性模量僅相當於鐵的1/2，因此在應力相同的條件下，鈦及鈦合金焊接接頭將發生比較顯著的變形。等離子弧的能量密度介於鎢極氬弧和電子束之間，用等離子弧焊接鈦及鈦合金時，熱影響區較窄，焊接變形也較易控制。目前微束等離子弧焊已經成功地套用於薄板的焊接。採用3～10A的焊接電流可以焊接厚度為0.08～0.6mm的板材。
由於液態鈦的密度較小，表面張力較大，利用等離子弧的小孔效應可以單道焊接厚度較大的鈦和鈦合金，保證不致發生熔池坍塌，焊縫成形良好。通常單道鎢極氬弧焊時工件的最大厚度不超過3mm，並且因為鎢極距離熔池較近，可能發生鎢極熔蝕，使焊縫滲入鎢夾雜物。等離子弧焊接時，不開坡口就可焊透厚度達15mm的接頭，不可能出現焊縫滲鎢現象。
鈦板等離子弧焊接的工藝參數見表1-4。TC4鈦合金等離子弧焊和TIG焊接接頭的力學性能見表1-5。
焊接航天工程中套用的TC4鈦合金高壓氣瓶的研究結果表明，等離子弧焊接頭強度與氬弧焊相當，強度係數均為90%，但塑性指標比氬弧焊接頭高，可達到母材的75%。根據30萬噸合成氨成套設備的生產經驗，用等離子弧焊接厚度10mm的TAl工業純鈦板材，生產率可比鎢極氬弧焊提高5～6倍，對操作的熟練程度要求也較低。
純鈦等離子弧焊的氣體保護方式與鎢極氬弧焊相似，可採用氬弧焊拖罩，但隨著板厚的增加、焊速的提高，拖罩要加長，使處於350℃以上的金屬得到良好保護。背面墊板上的溝槽尺寸一般寬度和深度各為2.0～3.0mm，同時背面保護氣體的流量也要增加。厚度15mm以上的鈦板焊接時，開6～8mm鈍邊的V形或U形坡口，用"小孔型"等離子弧焊封底，然後用"熔透型"等離子弧填滿坡口。用等離子弧封底可以減少焊道層數，減少填絲量和焊接角變形，提高生產率。"熔透型"多用於厚度3mm以下薄件的焊接，比鎢極氬弧焊容易保證焊接質量。
銀與鉑的微束等離子弧焊接
銀與鉑都屬於貴金屬，價格昂貴。銀與鉑可製成板材、帶材、線材等常用於微電子,儀器儀表、醫藥等特殊產品或軍工產品。銀與鉑電子器件的微束等離子弧接的工藝要點如下：
a．焊前將銀與鉑的接頭處清理乾淨；
b．將兩種金屬預熱到400～500℃，
c．採用微束脈衝等離子弧，維弧電流為24A；
d．保護氣體流量為6L/min，離子氣流量為0.5L/min。
銀與鉑電子器件微束等離子弧焊接的工藝參數見表1-6
超薄壁管子的微束等離子弧焊
索引：用焊接工藝製造超薄壁有縫管是把帶材捲成圓管，然後焊接起來。這種方法工藝簡單生產率高、成本低(為無縫管的50%左右)，受到國內外生產廠家的極大重視。微束等離子電弧是一種能量高度集中的熱源。電弧經過壓縮，其穩定性比自由電弧(例如氬弧)好得多，並且工作弧長可以比自由電弧長。因此，觀察焊接過程比較方便，超薄壁管子常用微束等離子弧焊接。關鍵字：超薄壁管，微束等離子弧焊接
超薄壁管在許多工業部門中有著廣泛的套用，可用來製造金屬軟管、波紋管、扭力管、熱交換器的換熱管、儀器儀表的諧振筒等，還有時是在高溫高壓、複雜振動和交變載荷下用來輸送各種腐蝕性介質。用焊接工藝製造超薄壁有縫管是把帶材捲成圓管，然後焊接起來。
這種方法工藝簡單生產率高、成本低(為無縫管的50%左右)，受到國內外生產廠家的極大重視。
微束等離子電弧是一種能量高度集中的熱源。電弧經過壓縮，其穩定性比自由電弧(例如氬弧)好得多，並且工作弧長可以比自由電弧長。因此，觀察焊接過程比較方便，超薄壁管子常用微束等離子弧焊接。
超薄壁管子微束等離子弧焊接具有以下優點：
a．焊接的帶材厚度比氬弧焊小，·通常厚度為0．1～0．5mm，不需卷邊就能焊接，焊接質量好。
b．在管子連續自動焊接時，等離子弧長的變化對焊接質量影響不大，這點與氬弧焊不同，氬弧焊弧長變化對焊接質量影響很大。
c．在焊接電流很小時(小於3A)，微束等離子弧穩定性好，而氬弧有時遊動，穩定較差。
d．微束等離子弧由於熱量集中，焊接速度高於氬弧焊，生產率高。
e．能焊接多種金屬，包括不鏽鋼、有色金屬和難熔金屬等。
超薄壁管子連續自動微束等離子弧焊接，類似於封閉壓縮弧焊過程。在焊接模套和焊槍之間安裝絕緣套，使等離子焊槍與金屬零件可靠絕緣，同時把保護氬氣封閉在一個小室中，超薄壁管子微束等離子弧焊工藝參數較氬弧焊多，除了焊接電流、焊接速度、保護氣體流量外，還有工作氣體的流量、保護氣體的成分、保護氣體流量與工作氣體流量之比等，這些參數均影響焊接質量。
工作氣體流量大，電弧挺度好，電弧很容易引出噴嘴，轉移弧建立容易；工作氣體流量小，電弧挺度差，轉移弧建立較困難。但工作氣體流量不能過大，太大會形成切割，焊縫成形不良。保護氣體用氫氬混合氣體保護效果好，一般用5%的氫氣，其餘為氬氣。有時也加氦氣，但氦氣價格昂貴，只有對某些有色金屬焊接時才用。經驗表明，保護氣體流量與工作氣體流量有一個最佳比值，這要通過試驗確定。
表1-1列出12Crl8Nil0Ti不鏽鋼超薄壁管子自動微束等離子弧焊的工藝參數。
經驗表明，影響超薄壁管子生產率的最主要的工藝參數是焊接電流、工作氣體的流量和噴嘴小孔直徑等。
銅及其合金超薄壁管子的焊接工藝與不鏽鋼管子的焊接工藝有許多共同點。但是，由於彼此的物理性能特點不同，如線脹係數和導熱性高、焊縫形成氣孔傾向大、合金元素鋅(黃銅)、鈹(鈹青銅)容易燒損等，焊接時必須採取以下附加措施(其他工藝措施同不鏽鋼)。
a．在焊接處必須建立起封閉小室，用氦氣作為保護氣體，，以避免熔池氧化，提高保護效果。
b．用鉬噴嘴代替銅噴嘴。由於鉬噴嘴的熱導宰相當低(比銅小2．7倍)，加熱到高溫時呈熾熱的桃紅色，妨礙鋅和鈹的蒸發和沉積作用，可以減少鋅和鈹的燒損。
c.必須利用軟態帶材製造超薄壁管子。
在封閉小室中用氦氣作保護氣體也能夠用微束等離子弧焊接鈦和鋯的超薄壁管子。表1-2列出銅及其合金、鈦和鋯超薄壁管子的微束等離子弧焊接的工藝參數。
安全防護技術
防電擊
等離子弧焊接和切割用電源的空載電壓較高，尤其在手工操．228·作時，有電擊的危險。因此，電源在使用時必須可靠接地，焊槍槍體或割槍槍體與手觸摸部分必須可靠絕緣。可以採用較低電壓引燃非轉移弧後再接通較高電壓的轉移弧迴路。如果啟動開關裝在手把上，必須對外露開關套上絕緣橡膠套管，避免手直接接觸開關。儘可能採用自動操作方法。
防電弧光輻射
電弧光輻射強度大，它主要由紫外線輻射、可見光輻射與紅外線輻射組成。等離子弧較其它電弧的光輻射強度更大，尤其是紫外線強度，故對皮膚損傷嚴重，操作者在焊接或切割時必須帶上良好的面罩、手套，最好加上吸收紫外線的鏡片。自動操作時，可在操作者與操作區設定防護屏。等離子弧切割時，可採用水中切割方法，利用水來吸收光輻射。防灰塵與煙氣
等離子弧焊接與切割過程中伴隨有大量汽化的金屬蒸氣、臭氧、氮化物等。尤其切割時，由於氣體流量大，致使工作場地上的灰一塵大量揚起，這些煙氣與灰塵對操作工人的呼吸道、肺等產生嚴重影響。切割時，在柵格工作檯下方還可以安置排風裝置，也可以採取水中切割方法。防噪聲
等離子弧會產生高強度、高頻率的噪聲，尤其採用大功率等離子弧切割時，其噪聲更大，這對操作者的聽覺系統和神經系統非常有害。其噪聲能量集中在2000^8000Hz範圍內。要求操作者必須戴耳塞。在可能的條件下，儘量採用自動化切割，使操作者在隔音良好的操作室內工作，也可以採取水中切割方法，利用水來吸收噪聲。等離子弧穩定性研究
等離子弧的穩定性直接影響著切割質量，等離子電弧不穩定現象，會導致切口參差不齊、積瘤等缺陷，也會導致控制系統的相關元件壽命降低，噴嘴、電極頻繁更換。針對此現象，進行分析並提出一些辦法。1.氣壓或流量過低
等離子弧切割機工作時，如工作氣壓遠遠低於說明書所要求的氣壓，這意味著等離子弧的噴出速度減弱，輸入空氣流量小於規定值，此時不能形成足夠多的帶有高能量、高速度的負離子，從而造成切口質量差、切不透、切口積瘤的現象。氣壓不足的原因有：輸入空氣壓力或流量不足，切割機空氣調節閥調壓過低，電磁閥內有油污，氣路不通暢等。
解決方法是，使用前注意觀察空壓機輸出壓力顯示，如不符合要求，可調整壓力或檢修空壓機。如輸入氣壓已達要求，應檢查空氣過濾減壓閥的調節是否正確，表壓顯示能否滿足切割要求。否則應對空氣過濾減壓閥進行日常維護保養，確保輸入空氣乾燥、無油污。如果輸入空氣品質差，會造成電磁閥內產生油污，閥芯開啟困難，閥口不能完全打開。另外，割炬噴嘴氣壓過低，還需更換電磁閥；氣路截面變小也會造成氣壓過低，可按說明書要求更換氣管。
2.氣壓過高
若輸入空氣壓力遠遠超過0.45MPa，則在形成等離子弧後，過大的氣流會吹散集中的弧柱，使弧柱能量分散，減弱了等離子弧的切割強度。造成氣壓過高的原因有：輸入空氣調節不當、空氣過濾減壓閥調節過高或者是空氣過濾減壓閥失效。
解決方法是，檢查空壓機壓力是否調整合適，空壓機和空氣過濾減壓閥的壓力是否失調。開機後，如鏇轉空氣過濾減壓閥調節開關，表壓無變化，說明空氣過濾減壓閥失靈，需更換。
3.割炬噴嘴和電極燒損
因噴嘴安裝不當，如絲扣未上緊，設備各擋位調整不當，需用水冷卻的割炬在工作時，未按要求通入流動的冷卻水以及頻繁起弧，都會造成噴嘴過早損壞。
解決方法是，按照切割工件的技術要求，正確調整設備各擋位，檢查割炬噴嘴是否安裝牢圄，需通冷卻水的噴嘴應提前使冷卻水循環起來。切割時，根據工件的厚度調整割炬與工件之間的距離。
4.地線與工件接觸不良
接地是切割前一項必不可少的準備工作。未使用專用的接地工具，工件表面有絕緣物及長期使用老化嚴重的地線等，都會使地線與工件接觸不良。
應使用專門的接地工具，並檢查是否有絕緣物影響地線與工件表面接觸，避免使用老化的接地線。
5.火花發生器不能自動斷弧
等離子切割機工作時，首先要引燃等離子弧，由高頻振盪器激發電極與噴嘴內壁之間的氣體，產生高頻放電，使氣體局部電離而形成小弧，這一小弧受壓縮空氣的作用，從噴嘴噴出以引燃等離於弧，這是火花發生器主要的任務。正常情況下，火花發生器的工作時間只有0.2～0.5s，不能自動斷弧的原因一般是控制線路板元件失調，火花發生器的放電電極間隙不合適。
應經常檢查火花發生器放電電極，使其表面保持平整，適時調整火花發生器的放電電極間隙與割炬電極噴嘴之間的間隙相適應，必要時更換控制板或更換電極噴嘴。
6.離子氣的鏇轉
鏇轉的離子氣有利有提高等離子弧的挺直度同時更具穩定性。因此，我們要選用會使離子氣鏇轉的分配器。
7.其他
除以上原因外，電流和噴嘴孔徑的配合、切割速度（恆定）、切割時割炬與工件的位置、離子氣和保護氣的種類，以及操作者的個人因素等，都對等離子弧的穩定性起作用。
總之， 提高電弧穩定性有利於提高切割質量。
