等离子弧工作原理

等离子电弧是由等离子弧发生装置产生的（图1）。

当在钨极和工件之间加上一个较高的电压并经过高频振荡器的激发，使气体电离形成电弧。电弧在通过特殊孔型的喷嘴时，受到了机械压缩，使截面积小。另外，当电弧通过用水冷却的特种喷嘴内，因受到外部不断送来的冷气流及导热性很好的水冷喷嘴孔道壁的冷却作用，使电弧柱外围气体受到了强烈冷却。温度降低，导电截面缩小，产生热收缩效应，电弧进一步被压缩，造成电弧电流只能从弧柱中心通过，这时的电弧电流密度急剧增加。由于电弧内的带电粒子在弧柱内的运动自己产生磁场的电磁力，使它们之间相互吸引，也就是电磁收缩效应，结果使电弧再进一步被压缩，这样被压缩后的电弧能量将高度集中，温度也达到极高的程度（约1～2万度），弧柱内的气体得到了高度的电离。当压缩效应的作用与电弧内部的热扩散达到平衡后，这时的电弧便变成为稳定的等离子弧。电弧发生在钨极和工件之间，高温的阳极斑点在工件上喷嘴附近最高温度可达30000度。

等离子弧是通过以下三种压缩作用获得的：

1、机械压缩，它利用水冷喷嘴孔道限制弧柱直径，来提高弧柱的能量密度和温度。

2、热收缩，由于水冷喷嘴温度较低，从而在喷嘴内壁建立起一层冷气膜，迫使弧柱导电端而进一步减小，电流密度进一步提高，弧柱这种收缩谓之“热收缩”，也可叫做“热压缩”。

3、磁收缩，弧柱电流本身产生的磁场对弧柱有压缩作用(即磁收缩效应)。电流密度愈大，磁收缩作用愈强。

按电源联接方式，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式（见图2）：

等离子弧非转移型离子弧

钨极接电源负极，喷嘴接电源正极，等离子弧体产生在钨极与喷嘴之间，在离子气流压送下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰(图2a)。

等离子弧转移型等离子弧

钨极接电源负极，工件接电源正极等离子弧体产生于钨极与工件之间(图2b)。转移弧难以直接形成，必须先引燃非转移弧，然后才能过渡到转移弧，金属焊接、切割几乎都是采用转移型弧，因为转移弧能把更多的热量传递给工件。

等离子弧联合型等离子弧

工作时非转移弧和转移弧同时并存，则称之谓联合型等离子弧(图2c)。主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊等方面。

等离子弧主要有以下三方面的应用：

1、等离子弧切割。用等离子弧作为热源、借助高速热离子气体熔化和吹除熔化金属而形成切口的热切割。 　2、等离子弧焊接。是借助于水冷喷嘴对电弧的拘束作用，从而获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法。 　3、等离子弧喷涂。用等离子弧进行工件表面喷涂耐高温、耐磨损、耐腐蚀的高熔点金属或非金属涂层，还可以作为金属表面热处理的热源。2100433B

等离子弧焊是指利用等离子弧高能量密度束流作为焊接热源的熔焊方法。等离子弧焊接具有能量集中、生产率高、焊接速度快、应力变形小、电孤稳定且适宜焊接薄板和箱材等特点，特别适合于各种难熔、易氧化及热敏感性强的金属材料(如钨、钼、铜、镍、钛等) 的焊接。气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度。形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般用纯氩。根据各种工件的材料性质，也有使用氦、氮、氩或其中两者混合的混合气体的。

按电极的不同接法，等离子弧分为转移型弧、非转移型弧、联合型弧三种。

电极接负极、喷嘴接正极产生的等离子弧称为非转移型弧。用于焊接或切割较薄的材料。

电极接负极、焊件接正极产生的等离子弧称为转移型弧。适用于焊接、堆焊或切割较厚的材料。

电极接负极、喷嘴和焊件同时接正极．则非转移弧和转移弧同时存在，称为联合型弧。适用于微弧等离子焊接和粉末材料的喷焊。

等离子弧按导电方式可分为非转移型、转移型和混合型3种（见图1）。它们的区别主要是：非转移型的电源正极接喷嘴，而转移型电源正极接工件（一般先按非转移型接线产生等离子弧后再过渡到转移型）,混合型的电源正极同时接喷嘴和工件。这3种方式一般都使用具有直流陡降外特性的电源。空载电压高低与使用的气体有关，若使用氩时，空载电压为65～100伏，而使用氮或氢时为250～400伏。

转移型等离子弧温度高(10000～52000℃）,有效热利用率高，主要用于切割、焊接(见等离子弧焊)和熔炼金属。切割的金属有铜、铝及其合金、不锈钢、各种合金钢、低碳钢、铸铁、钼和钨等。常用的切割气体为氮或氢氩、氢氮、氮氩混合气体。常用的电极为铈钨或钍钨电极，采用压缩空气切割时使用的电极为金属锆或铪。使用的喷嘴材料一般为紫铜或锆铜。切割不锈钢、铝及其合金的厚度一般为 3～100毫米，最大厚度可达250毫米。70年代后，又发展了双层气体等离子弧切割、笔式微束等离子弧切割和水压缩等离子弧切割等，这些方法能减小工件的切缝宽度，提高切割质量。

非转移型等离子弧温度最高可达18000℃,主要用于工件表面喷涂耐高温、耐磨损、耐腐蚀的高熔点金属或非金属涂层，也可以切割薄板金属材料，还可以作为金属表面热处理的热源。混合型等离子弧主要用于微束等离子弧焊接和粉末堆焊。

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。

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，等离子弧产生在钨极和焊件之间。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

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。

弧焊方法

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”。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。

（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 。