等离子弧焊接（WP 15）
一、 等离子弧焊原理及方法分类
1. 等离子弧：
是等离子体组成。自由电弧被强迫压缩后，电流密度增加，导致电弧温度升高，电离度增大，中性气体充分电离，就形成等离子弧。
2. 等离子弧产生的三要素
（1） 机械压缩作用：
利用水冷喷嘴孔道限制弧柱直径，提高弧柱的能量密度和温度。
（2） 热收缩作用：
由于水冷喷嘴，在喷嘴内壁建立一层冷气膜，迫使弧柱导电断面进一
步减小，电流密度进一步提高。这叫热收缩，也叫热压缩。
（3） 磁收缩作用：
弧柱电流本身产生的磁场对弧柱再压缩作用。也叫磁收缩效应。电流
密度越大，磁收缩作用越强。
3. 等离子弧的特点
（1）能量集中 （能量密度105~6 W/cm² TIG自由电弧
（2）温度高 （18000K～24000K）。
图1 自由电弧和等离子弧的比较图
4. 等离子弧的三种基本形式
（1）非转移型等离子弧
钨极为负，喷嘴为正，钨极与喷嘴之间产生等离子弧。（等离子束焊接）
图2 非转移型等离子弧示意图
（2） 转移型等离子弧
钨极为负，工件为正，钨极与喷嘴之间先引弧后，转移到钨极与工件之 间产生等离子弧。（等离子弧焊接）
图3 转移型等离子弧示意
（3）联合型等离子弧
非转移型和转移型弧同时并存。主要用于微束等离子弧焊、粉末堆焊 等方面。
图4 联合型等离子弧示意图
5. 等离子弧焊基本方法
（1）小孔型等离子弧焊（穿孔、锁孔、穿透焊）
利用能量密度大和等离子流力大的特 点，将工件完全熔透并产生一个贯穿工件的 小孔，熔化金属被排挤在小孔的周围，沿着 电弧周围的熔池壁向熔池后方移动，使小孔 跟着等离子弧向前移动，形成完全熔透的焊 缝。
一般大电流等离子弧（100～300安培） 时采用该方法。
图5 小孔型等离子弧焊焊缝成形原理
（2） 熔透型等离子弧焊
特点：
离子气流量小， 弧柱压缩程度较弱时， 工件只熔化而不产生 小孔效应。
用途：
薄板单面焊双面 成形，厚板多层焊。
图6 熔透型等离子弧焊焊缝成形原理
（3） 微弧（束）等离子弧焊
30安培以下熔透型焊接方法为微弧（束）等离子弧焊。
用途： 焊细丝、箔材、不锈钢0.025mm的薄板。
二、等离子弧焊设备及电源特性
设备组成：
由焊接电源、控制系统、焊枪、气路系统、水路系统等组成。
图7 等离子弧焊设备构造简图
可分为：
大电流等离子弧焊接设备——采用转移型电弧。
微束等离子弧焊接设备——30安培以下采用联合型电弧。
1. 焊接电源：
由于等离子弧工作在特性曲线的平特性段，所以电源一般采用下降或恒流特性外特性。
图 8 自由电弧和压缩电弧特性曲线简图
需要较高的空载电压。 纯Ar时 65～80伏
Ar+H2混合气时 110～120伏 一般采用直流正接（负极型）， 焊Al、Mg、铝青铜时采用交流。
2. 气路：
离子气——分三路供给，其中一路调节气路衰减时间。
保护气——Ar
背面保护气——Ar
3. 控制系统：
高频引弧器、行走小车、填充焊丝拖动控制、衰减控制、程序控制电路等组成。
图9 等离子弧焊工作程序循环图
孔道长度L0 图10 等离子弧焊枪的术语
表1 等离子弧电流与喷嘴孔径间的关系
（1） 喷嘴孔径dn：
它决定等离子 弧的直径和能量密 度，喷嘴孔径dn的 大小应根据电流和 离子气流量来决定。 （2） 孔道长度L0：
表
2 喷嘴孔道比
L0/dn来表示孔道 压缩特征。
过大会导致双弧产生。
（3） 压缩角α：
对弧的压缩影响不大。一般60°～90°左右， 60°的应用最多。
（4） 电极：
钍钨极、铈钨极、锆钨极（锆 0.15～0.40%）
内缩Lr：
对等离子弧影响很大。过大会引起双弧。一般采用Lr=Lo±0.2mm
同心度：
一般要求周围占75～80%左右。
图11 同心度示意图
三、双弧问题
在转移弧时，除钨极与工件之间等离子弧外，钨极与喷嘴工件之间也产生电弧现象。主要危害在于主电弧电流降低，破坏正常焊接， 烧毁喷嘴。
防止双弧措施：
1. 正确选择焊接电流和气体流量； 2. 合理选用孔道长度； 3. 保证同心度；
4. 电极内缩不能太大；
5. 喷嘴与工件距离不要太近；
6. 加强冷却作用。
图12 双弧示意图
四、等离子弧焊接典型应用及特点
1. 用途
直流等离子弧焊：
可以含碳钢、不锈钢、耐热钢、镍及其合金、钛及其合金、钢及其合金等。
交流等离子弧焊：
可焊铝、镁及其合金、铸青铜、铝青铜等。
1） 微弧等离子焊接举例 （见第4页）
不锈钢的焊接
因科镍、铜、钛的焊接
2） 等离子焊接举例
不锈钢的等离子焊接
钛的等离子焊接
镍的等离子焊接
非合金的等离子焊接
3） 离子焊接与TIG焊比较 （见第6、7页）
焊接速度的比较
等离子弧焊与TIG焊典型区别
4） 其它等离子弧焊方法 （见第8页）
等离子—MIG焊接
用途：
厚板深熔焊，薄板高速焊。
目的：
提高生产效率。
等离子粉末堆焊
特点：
① 易实现过程自动化；
② 生产率高（熔敷率高）；
③ 质量好（稀释度低）；
④ 易选用各种配方的合金粉末。
用途：
轴承、阀门芯、工具、推土机零件、叶片的制造和维修。
注意：
① 受热的粉末形成熔滴，引起双弧。因采用扩散型喷嘴。
② 粉末的粗粒度有一定的影响。一般选用40～120目。
等离子热丝堆焊
特点：
① 提高熔敷率，生产率高；
② 降低稀释度，焊接质量好。
用途：
石油化工、厚壁容器、核反应堆容器、耐磨耐蚀大面积堆焊。
2. 优点：
1）在一定厚度的范围内，工件不开坡口；
2）在不留间隙的情况下，可单面焊双面成形；
3）电弧稳定；
4）热量集中，热影响区小，焊接变形量小；
5）生产率高；
6）可焊难熔、易氧化、热敏感性强的材料；
3. 缺点：
1）设备投资较大；
2）对操作要求高；
3）难以手工操作。
等离子弧焊接（WP 15）
一、 等离子弧焊原理及方法分类
1. 等离子弧：
是等离子体组成。自由电弧被强迫压缩后，电流密度增加，导致电弧温度升高，电离度增大，中性气体充分电离，就形成等离子弧。
2. 等离子弧产生的三要素
（1） 机械压缩作用：
利用水冷喷嘴孔道限制弧柱直径，提高弧柱的能量密度和温度。
（2） 热收缩作用：
由于水冷喷嘴，在喷嘴内壁建立一层冷气膜，迫使弧柱导电断面进一
步减小，电流密度进一步提高。这叫热收缩，也叫热压缩。
（3） 磁收缩作用：
弧柱电流本身产生的磁场对弧柱再压缩作用。也叫磁收缩效应。电流
密度越大，磁收缩作用越强。
3. 等离子弧的特点
（1）能量集中 （能量密度105~6 W/cm² TIG自由电弧
（2）温度高 （18000K～24000K）。
图1 自由电弧和等离子弧的比较图
4. 等离子弧的三种基本形式
（1）非转移型等离子弧
钨极为负，喷嘴为正，钨极与喷嘴之间产生等离子弧。（等离子束焊接）
图2 非转移型等离子弧示意图
（2） 转移型等离子弧
钨极为负，工件为正，钨极与喷嘴之间先引弧后，转移到钨极与工件之 间产生等离子弧。（等离子弧焊接）
图3 转移型等离子弧示意
（3）联合型等离子弧
非转移型和转移型弧同时并存。主要用于微束等离子弧焊、粉末堆焊 等方面。
图4 联合型等离子弧示意图
5. 等离子弧焊基本方法
（1）小孔型等离子弧焊（穿孔、锁孔、穿透焊）
利用能量密度大和等离子流力大的特 点，将工件完全熔透并产生一个贯穿工件的 小孔，熔化金属被排挤在小孔的周围，沿着 电弧周围的熔池壁向熔池后方移动，使小孔 跟着等离子弧向前移动，形成完全熔透的焊 缝。
一般大电流等离子弧（100～300安培） 时采用该方法。
图5 小孔型等离子弧焊焊缝成形原理
（2） 熔透型等离子弧焊
特点：
离子气流量小， 弧柱压缩程度较弱时， 工件只熔化而不产生 小孔效应。
用途：
薄板单面焊双面 成形，厚板多层焊。
图6 熔透型等离子弧焊焊缝成形原理
（3） 微弧（束）等离子弧焊
30安培以下熔透型焊接方法为微弧（束）等离子弧焊。
用途： 焊细丝、箔材、不锈钢0.025mm的薄板。
二、等离子弧焊设备及电源特性
设备组成：
由焊接电源、控制系统、焊枪、气路系统、水路系统等组成。
图7 等离子弧焊设备构造简图
可分为：
大电流等离子弧焊接设备——采用转移型电弧。
微束等离子弧焊接设备——30安培以下采用联合型电弧。
1. 焊接电源：
由于等离子弧工作在特性曲线的平特性段，所以电源一般采用下降或恒流特性外特性。
图 8 自由电弧和压缩电弧特性曲线简图
需要较高的空载电压。 纯Ar时 65～80伏
Ar+H2混合气时 110～120伏 一般采用直流正接（负极型）， 焊Al、Mg、铝青铜时采用交流。
2. 气路：
离子气——分三路供给，其中一路调节气路衰减时间。
保护气——Ar
背面保护气——Ar
3. 控制系统：
高频引弧器、行走小车、填充焊丝拖动控制、衰减控制、程序控制电路等组成。
图9 等离子弧焊工作程序循环图
孔道长度L0 图10 等离子弧焊枪的术语
表1 等离子弧电流与喷嘴孔径间的关系
（1） 喷嘴孔径dn：
它决定等离子 弧的直径和能量密 度，喷嘴孔径dn的 大小应根据电流和 离子气流量来决定。 （2） 孔道长度L0：
表
2 喷嘴孔道比
L0/dn来表示孔道 压缩特征。
过大会导致双弧产生。
（3） 压缩角α：
对弧的压缩影响不大。一般60°～90°左右， 60°的应用最多。
（4） 电极：
钍钨极、铈钨极、锆钨极（锆 0.15～0.40%）
内缩Lr：
对等离子弧影响很大。过大会引起双弧。一般采用Lr=Lo±0.2mm
同心度：
一般要求周围占75～80%左右。
图11 同心度示意图
三、双弧问题
在转移弧时，除钨极与工件之间等离子弧外，钨极与喷嘴工件之间也产生电弧现象。主要危害在于主电弧电流降低，破坏正常焊接， 烧毁喷嘴。
防止双弧措施：
1. 正确选择焊接电流和气体流量； 2. 合理选用孔道长度； 3. 保证同心度；
4. 电极内缩不能太大；
5. 喷嘴与工件距离不要太近；
6. 加强冷却作用。
图12 双弧示意图
四、等离子弧焊接典型应用及特点
1. 用途
直流等离子弧焊：
可以含碳钢、不锈钢、耐热钢、镍及其合金、钛及其合金、钢及其合金等。
交流等离子弧焊：
可焊铝、镁及其合金、铸青铜、铝青铜等。
1） 微弧等离子焊接举例 （见第4页）
不锈钢的焊接
因科镍、铜、钛的焊接
2） 等离子焊接举例
不锈钢的等离子焊接
钛的等离子焊接
镍的等离子焊接
非合金的等离子焊接
3） 离子焊接与TIG焊比较 （见第6、7页）
焊接速度的比较
等离子弧焊与TIG焊典型区别
4） 其它等离子弧焊方法 （见第8页）
等离子—MIG焊接
用途：
厚板深熔焊，薄板高速焊。
目的：
提高生产效率。
等离子粉末堆焊
特点：
① 易实现过程自动化；
② 生产率高（熔敷率高）；
③ 质量好（稀释度低）；
④ 易选用各种配方的合金粉末。
用途：
轴承、阀门芯、工具、推土机零件、叶片的制造和维修。
注意：
① 受热的粉末形成熔滴，引起双弧。因采用扩散型喷嘴。
② 粉末的粗粒度有一定的影响。一般选用40～120目。
等离子热丝堆焊
特点：
① 提高熔敷率，生产率高；
② 降低稀释度，焊接质量好。
用途：
石油化工、厚壁容器、核反应堆容器、耐磨耐蚀大面积堆焊。
2. 优点：
1）在一定厚度的范围内，工件不开坡口；
2）在不留间隙的情况下，可单面焊双面成形；
3）电弧稳定；
4）热量集中，热影响区小，焊接变形量小；
5）生产率高；
6）可焊难熔、易氧化、热敏感性强的材料；
3. 缺点：
1）设备投资较大；
2）对操作要求高；
3）难以手工操作。