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，采用直流反接或交流。鋁及鋁合金交流等離子弧焊接多采用矩形波交流焊接電源，用氬氣作為等離子氣和保護氣體。對于純鋁、防銹鋁，采用等離子弧焊，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。
1、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。
2、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。
3、當板厚大于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。
4、需用的墊板和壓板最好用導熱性不好的材料制造（如不銹鋼）。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。
5、板厚不大于lOmm時，在對接的坡口上海間隔150mm點固焊一點；板厚大于l0mm時，每間隔300mm點固焊一點。點固焊采用與正常焊接相同的電流。
6、進行多道焊時，焊完前一道焊道后應用鋼絲或銅絲刷清理焊道表面至露出純凈的鋁表面為止。
了解等離子弧焊接和切割的原理、特點及應用范圍； 目標 掌握等離子弧焊的基本方法； 能合理制定等離子弧焊工藝。 了解等離子弧堆焊、噴涂和切割的基本方法。 教學活動設計： 教學活動設計：
1 在實訓室中進行講練結合的現場教學；
2．利用多媒體課件、仿真等輔助教學； 教學重點： 教學重點：條電弧焊的原理、工藝特點 制定焊條電弧焊工藝； 掌握焊條電弧焊操作技術 教學難點： 教學難點：能合理制定等離子弧焊工藝。 了解等離子弧堆焊、噴涂和切割的基本方法。 學習單元一 認知等離子弧的焊接與切割 認知等離子弧的焊接與切割 等離子弧 一、等離子弧的形成 1．等離子弧 目前，焊接領域中應用的等離子弧實際上是一種壓縮電弧，是由鎢極氣體保護電弧 發展而來的。鎢極氣體保護電弧常被稱為自由電弧，它燃燒于惰性氣體保護下的鎢極與 焊件之間，其周圍沒有約束，當電弧電流增大時，弧柱直徑也伴隨增大，二者不能獨立 地進行調節，因此自由電弧弧柱的電流密度、溫度和能量密度的增大均受到一定限制。 實驗證明，借助水冷銅噴嘴的外部拘束作用，使弧柱的橫截面受到限制而不能自由擴大 時，就可使電弧的溫度、能量密度和等離子體流速都顯著增大。這種用外部拘束作用使 弧柱受到壓縮的電弧就是通常所稱的等離子弧。
2．等離子弧形成原理 目前廣泛采用的壓縮電弧的方法是將鎢極縮入噴嘴內部， 并且在水冷噴嘴中通以一 定壓力和流量的離子氣， 強迫電弧通過噴嘴孔道， 以形成高溫、 高能量密度的等離子弧， 如圖67-1所示。此時電弧受到下述三種壓縮作用： （1）機械壓縮效應 當把一個用水冷卻的銅制噴嘴放置在其通道上，強迫這個“自 由電弧” 從細小的噴嘴孔中通過時， 弧柱直徑受到小孔直徑的機械約束而不能自由擴大， 而使電弧截面受到壓縮。這種作用稱為“機械壓縮效應”。
（2）熱收縮效應 水冷銅噴嘴的導熱性很好，緊貼噴嘴孔道壁的“邊界層”氣體溫 度很低，電離度和導電性均降低。這就迫使帶電粒子向溫度更高、導電性更好的弧柱中 心區集中，相當于外圍的冷氣流層迫使弧柱進一步收縮。這種作用稱為“熱收縮效應”。
（3）電磁收縮效應 這是由通電導體間相互吸引力產生的收縮作用。弧柱中帶電的 粒子流可被看成是無數條相互平行且通以同向電流的導體。在自身磁場作用下，產生相 互吸引力，使導體相互靠近。導體間的距離越小，吸引力越大。這種導體自身磁場引起 的收縮作用使弧柱進一步變細，電流密度與能量密度進一步增加。 電弧在三種壓縮效應的作用下，直徑變小、溫度升高、氣體的離子化程度提高、能 量密度增大。最后與電弧的熱擴散作用相平衡，形成穩定的壓縮電弧。這就是工業中應 用的等離子弧。作為熱源，等離子弧獲得了廣泛的應用，可進行等離子弧焊接、等離子 弧切割、等離子弧堆焊、等離子弧噴涂、等離子弧冶金等。 在上述三種壓縮作用中，噴嘴孔徑的機械壓縮作用是前提；熱收縮效應則是電弧被 壓縮的最主要的原因；電磁收縮效應是必然存在的，它對電弧的壓縮也起到一定作用。
3．等離子弧的影響因素 等離子弧是壓縮電弧，其壓縮程度直接影響等離子弧的溫度、能量密度、弧柱挺度 和電弧壓力。影響等離子弧壓縮程度的因素主要有：
（1）等離子弧電流 當電流增大時，弧柱直徑也要增大。因電流增大時，電弧溫度 升高，氣體電離程度增大，因而弧柱直徑增大。如果噴嘴孔徑不變，則弧柱被壓縮程度 增大。
（2） 噴嘴孔道形狀和尺寸 噴嘴孔道形狀和尺寸對電弧被壓縮的程度具有較大的影 響，特別是噴嘴孔徑對電弧被壓縮程度的影響更為顯著。在其他條件不變的情況下，隨 噴嘴孔徑的減小，電弧被壓縮程度增大。
（3）離子氣體的種類及流量 離子氣（工作氣體）的作用主要是壓縮電弧強迫通過 噴嘴孔道，保護鎢極不被氧化等。使用不同成分的氣體作離子氣時，由于氣體的熱導率 和熱焓值不同，對電弧的冷卻作用不同，故電弧被壓縮的程度不同。 改變和調節這些因素可以改變等離子弧的特性，使其壓縮程度適應于切割、焊接、 堆焊或噴涂等方法的不同要求。例如為了進行切割，要求等離子弧有很大的吹力和高度 集中的能量，應選擇較小的壓縮噴嘴孔徑、較大的等離子氣流量、較大的電流和導熱性 好的氣體；為進行焊接，則要求等離子弧的壓縮程度適中，應選擇較切割時稍大的噴嘴 孔徑、較小的等離子氣流量。 二、等離子弧的特性 1．溫度高、能量密度大 普通鎢極氬弧的最高溫度為10000~24000K，能量密度在10 W/cm 以下。等離子弧的 最高溫度可達24000~50000K，能量密度可達105~l08W/cm2，且穩定性好。等離子弧和鎢極 氬弧的溫度比較如圖6-2所示。
2．等離子弧的能量分布均衡 等離子弧由于弧柱被壓縮，橫截面減小，弧柱電場強度明顯提高，因此等離子弧的 最大壓降是在弧柱區，加熱金屬時利用的主要是弧柱區的熱功率，即利用弧柱等離子體 的熱能。所以說，等離子弧幾乎在整個弧長上都具有高溫。這一點和鎢極氬弧是明顯不 同的。
3．等離子弧的挺度好、沖力大 鎢極氬弧的形狀一般為圓錐形，擴散角在45°左右；經過壓縮后的等離子弧，其形 態近似于圓柱形，電弧擴散角很小，約為5°左右，因此挺度和指向性明顯提高。等離 子弧在三種壓縮作用下，橫截面縮小，溫度升高，噴嘴內部的氣體劇烈膨脹，迫使等離 子體高速從噴嘴孔中噴出，因此沖力大，挺直性好。電流越大，等離子弧的沖力也越大， 挺直性也就越好。
4．等離子弧的靜特性曲線仍接近于U形 由于弧柱的橫截面受到限制，等離子弧的電場強度增大，電弧電壓明顯提高，U形 曲線上移且其平直區域明顯減小，。
5．等離子弧的穩定性好 等離子弧的電離度較鎢極氬弧更高，因此穩定性好。外界氣流和磁場對等離子弧的 影響較小，不易發生電弧偏吹和漂移現象。焊接電流在10A以下時，一般的鎢極氬弧很 難穩定， 常產生電弧漂移， 指向性也常受到破壞。 而采用微束等離子弧， 當電流小至0.1A 時，等離子弧仍可穩定燃燒，指向性和挺度均好。這些特性在用小電流焊接極薄焊件時 特別有利。 三、等離子弧的類型及應用 等離子弧按接線方式和工作方式不同， 可分為非轉移型、 轉移型和混合型三種類型， 如圖6-5所示。
1．非轉移型等離子弧 4 2 鎢極接電源的負極，噴嘴接電源的正極，焊件不接電源，電弧是在鎢極與噴嘴孔壁 之間燃燒的，非轉移弧主要在等離子弧噴涂、焊接和切割較薄的金屬及非金屬時采用。
2．轉移型等離子弧 鎢極接電源的負極、 焊件接電源的正極， 等離子弧燃燒于鎢極與焊件之間， 如圖6-5b 所示。但這種等離子弧不能直接產生，必須先在鎢極和噴嘴之間接通維弧電源，以引燃 小電流的非轉移型弧（引導弧），然后將非轉移型弧通過噴嘴過渡到焊件表面，再引燃 鎢極與焊件之間的轉移型等離子弧．（主弧），并自動切斷維弧電源。采用轉移弧工作 時，等離子弧溫度高、能量密度大，焊件上獲得的熱量多，熱的有效利用率高。常用于 等離子弧切割、等離子弧焊接和等離子弧堆焊等工藝方法中。 3．混合型等離子弧 在工作過程中非轉移型弧和轉移型弧同時存在，則稱之為混合型（或聯合型）等離 子弧，如圖6-5c所示。兩者可以用兩臺單獨的焊接電源供電，也可以用一臺焊接電源中 間串接一定電阻后向兩個電弧供電。其中的轉移弧主要用來加熱焊件和填充金屬，非轉 移弧用來協助轉移弧的穩定燃燒（小電流時）和對填充金屬進行預熱（堆焊時）。混合 型等離子弧穩定性好，電流很小時也能保持電弧穩定，主要用在微束等離子弧焊接和粉 末等離子弧堆焊等工藝方法中。 學習單元二 等離子弧焊接 等離子弧焊接一、等離子弧焊的基本方法及應用 等離子弧焊是借助水冷噴嘴對電弧的拘束作用， 獲得高能量密度的等離子弧進行焊 接的方法，國際統稱為PAW（Plasma Arc Welding）。按焊縫成形原理，等離子弧焊有 下列三種基本方法：穿孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊、微束等離子弧焊。
1．穿 透型等離子弧焊 穿透型焊接法又稱小孔型等離子弧焊。該方法是利用等離子弧直徑小、溫度高、能 量密度大、穿透力強的特點，在適當的工藝參數條件下實現的，焊縫斷面呈酒杯狀，如 圖6-7所示。焊接時，采用轉移型等離子弧把焊件完全熔透并在等離子流力作用下形成 一個穿透焊件的小孔，并從焊件的背面噴出部分等離子弧（稱其為“尾焰”）。熔化金 屬被排擠在小孔周圍，依靠表面張力的承托而不會流失。隨著焊槍向前移動，小孔也跟 著焊槍移動， 熔池中的液態金屬在電弧吹力、 表面張力作用下沿熔池壁向熔池尾部流動， 并逐漸收口、凝固，形成完全熔透的正反面都有波紋的焊縫，這就是所謂的小孔效應。 如圖6-8所示。利用這種小孔效應，不用襯墊就可實現單面焊雙面成形。焊接時一般不 加填充金屬， 但如果對焊縫余高有要求的話， 也可加入填充金屬。 目前大電流 （100 ~500A） 等離子弧焊通常采用這種方法進行焊接。
2．熔透型等離子弧焊 熔透型等離子弧焊又稱熔入型焊接法，它是采用較小的焊接電流（30~100A）和較 低的離子氣流量，采用混合型等離子弧焊接的方法。在焊接過程中不形成小孔效應，焊 件背面無“尾焰”。液態金屬熔池在弧柱的下面，靠熔池金屬的熱傳導作用熔透母材， 實現焊透。焊縫斷面形狀呈碗狀，如圖6-9所示。熔透型等離子弧焊基本焊法與鎢極氬 弧焊相似。焊接時可加填充金屬，也可不加填充金屬。主要用于薄板（0.5~2.5mm以下） 的焊接、多層焊封底焊道以后各層的焊接以及角焊縫的焊接。 3．微束等離子弧焊 焊接電流在30A以下的等離子弧通常稱為微束等離子弧焊。有時也把焊接電流稍大 的等離子弧歸為此類。這種方法使用很小的噴嘴孔徑（0.5~1.5mm），得到針狀細小 的等離子弧，主要用于焊接厚度1mm以下的超薄、超小、精密的焊件。 上述三種等離子弧焊方法均可采用脈沖電流，借以提高焊接過程的穩定性，此時稱 為脈沖等離子弧焊。脈沖等離子弧焊易于控制熱輸入和熔池，適于全位置焊接，并且其 焊接熱影響區和焊接變形都更小。尤其是脈沖微束等離子弧焊，特點更突出，因而應用 較廣。 交流等離子弧焊具有陰極清理作用，主要用來焊接鋁、鎂及其合金。熔化極等離子 弧焊實質上是一種等離子弧焊和MIG焊組合在一起的聯焊方法。 這兩種方法特點不突出， 目前用得尚不多。 二、等離子弧焊工藝
1．等離子弧焊的工藝特點 1）由于等離子弧的溫度高、能量密度大，因此等離子弧焊熔透能力強，可用比鎢 極氬弧焊高得多的焊接速度施焊。這不僅提高了焊接生產率，而且可減小熔寬、增大熔 深，因而可減小熱影響區寬度和焊接變形。
2）由于等離子弧的形態近似于圓柱形，挺度好，因此當弧長發生波動時熔池表面 的加熱面積變化不大，對焊縫成形的影響較小，容易得到均勻的焊縫成形。 3）由于等離子弧的穩定性好，使用很小的焊接電流也能保證等離子弧的穩定，故 可以焊接超薄件。
4）由于鎢極內縮在噴嘴里面，焊接時鎢極與焊件不接觸，因此可減少鎢極燒損和 防止焊縫金屬夾鎢。
2．等離子弧焊工藝
（1）接頭形式 用于等離子弧焊接的通用接頭形式為I形對接接頭、開單面V形和雙 面V形坡口的對接接頭以及開單面U形和雙面U形坡口的對接接頭。除此之外，也可用角 接接頭和T型接頭。
（2）焊接參數的選擇 等離子弧焊焊接時，焊透母材的方式主要有穿透焊和熔透焊 （包括微束等離子弧焊） 兩種。 在采用穿透型等子弧焊時， 焊接過程中確保小孔的穩定， 是獲得優質焊縫的前提。影響小孔穩定性的主要焊接工藝參數有：
1）噴嘴孔徑 噴嘴孔徑直接決定等離子弧的壓縮程度，是選擇其他參數的前提。在 焊接生產過程中，當焊件厚度增大時，焊接電流也應增大，但一定孔徑的噴嘴其許用電 流是有限制的，見表6-2。因此，一般應按焊件厚度和所需電流值確定噴嘴孔徑。
2）焊接電流 當其他條件不變時，焊接電流增加，等離子弧的熱功率也增加，熔透 能力增強。因此，應根據焊件的材質和厚度首先確定焊接電流。
3）離子氣種類及流量 目前應用最廣的離子氣是氬氣，適用于所有金屬。為提高焊 接生產效率和改善接頭質量，針對不同金屬可在氬氣中加入其他氣體。例如，焊接不銹 鋼和鎳合金時，可在氬氣中加入體積分數為5%~7.5%的氬氣；焊接鈦及鈦合金時，可在 氬氣中加入體積分數為50％~75％的氦氣。 當其他條件不變時，離子氣流量增加，等離子弧的沖力和穿透能力都增大。因此， 要實現穩定的穿孔法焊接過程，必須要有足夠的離子氣流量；但離子氣流量太大時，會 使等離子弧的沖力過大將熔池金屬沖掉，同樣無法實現穿透法焊接。
4）焊接速度 當其他條件不變時，提高焊接速度，則輸入到焊縫的熱量減少，在穿 孔法焊接時，小孔直徑將減小；如果焊速太高，則不能形成小孔，故不能實現穿透法焊 接。焊接速度的確定，取決于焊接電流和離子氣流量。
5）噴嘴高度 噴嘴端面至焊件表面的距離為噴嘴高度。生產實踐證明噴嘴高度應保 持在3 ~8mm較為合適。如果噴嘴高度過大，會增加等離子弧的熱損失，使熔透能力減小， 保護效果變差；但若噴嘴高度太小，則不便操作，噴嘴也易被飛濺物堵塞，還容易產生 雙弧現象。
6）保護氣成分及流量 等離子弧焊時，除向焊槍輸入離子氣外，還要輸入保護氣， 以充分保護熔池不受大氣污染。大電流等離子弧焊時保護氣與離子氣成分應相同，否則 會影響等離子弧的穩定性。小電流等離子弧焊時，離子氣與保護氣成分可以相同，也可 以不同，因為此時氣體成分對等離子弧的穩定性影響不大。保護氣一般采用氬氣，焊接 銅、不銹鋼、低合金鋼時，為防止焊縫缺陷，通常在氬氣中加一定量的氦氣、氫氣或二 氧化碳等氣體。保護氣流量應與離子氣流量有一個適當的比例。如果保護氣流量過大， 則會造成氣流紊亂，影響等離子弧穩定性和保護效果。穿透法焊接時，保護氣流量一般 選擇15~30L/min。 學習單元三 等離子弧切割 一、等離子弧切割原理及特點 1．等離子弧切割原理 等離子弧切割是利用等離子弧的熱能實現切割的方法。 國際統稱為PAC （Plasma Arc Cutting)。 等離子弧切割的原理與氧氣的切割原理有著本質的不同。 氧氣切割主要是靠氧與部 分金屬的化合燃燒和氧氣流的吹力，使燃燒的金屬氧化物熔渣脫離基體而形成切口的。 因此氧氣切割不能切割熔點高、導熱性好、氧化物熔點高和粘滯性大的材料。等離子弧 切割過程不是依靠氧化反應，而是靠熔化來切割工件的。等離子弧的溫度高（可達 50000K），目前所有金屬材料及非金屬材料都能被等離子弧熔化，因而它的適用范圍比 氧氣切割要大得多。 等離子弧切割原理見圖6-14，其中圖6-14a采用轉移弧，適用于金屬材料切割，圖 6-14b采用非轉移弧，既可用于非金屬材料切割，也可用于金屬材料切割，但由于工件 不接電源。電弧挺度差，故能切割的金屬材料厚度較小。
2．等離子弧切割特點
（1）切割速度快，生產率高 它是目前常用的切割方法中切割速度最快的。
（2）切口質量好 等離子弧切割切口窄而平整，產生的熱影響區和變形都比較小， 特別是切割不銹鋼時能很快通過敏化溫度區間，故不會降低切口處金屬的耐蝕性能；切 割淬火傾向較大的鋼材時，雖然切口處金屬的硬度也會升高，甚至會出現裂紋，但由于 淬硬層的深度非常小，通過焊接過程可以消除，所以切割邊可直接用于裝配焊接。
（3） 應用面廣 由于等離子弧的溫度高、 能量集中， 所以能切割幾乎各種金屬材料， 如不銹鋼、鑄鐵、鋁、鎂、銅等，在使用非轉移性等離子弧時，還能切割非金屬材料， 如石塊、耐火磚、水泥塊等。 三、等離子弧切割工藝 1．切割工藝參數的選擇 等離子弧切割工藝參數較多，主要有離子氣種類和流量、噴嘴孔徑、空載電壓、切 割電流和切割電壓、切割速度和噴嘴高度等。各種參數對切割過程的穩定性和切割質量 均有不同程度的影響，切割時必須依據切割材料種類、工件厚度和具體要求來選擇。
（1）離子氣的種類和流量 等離子弧切割時，氣體的作用是壓縮電弧，防止鎢極氧 化，吹掉割縫中的熔化金屬，保護噴嘴不被燒壞。離子氣的種類和流量對上述作用有直 接影響，從而影響切割質量。一般切割l00mm以下的不銹鋼、鋁等材料時，可以使用純 氮氣或適當加些氬氣， 既經濟又能保證切割質量； 當使用Ar ＋φ 2） （H 35％混合氣體時， 由于H2的熱焓大，熱導率高，對電弧的壓縮作用更強，氣體噴出時速度極高。電弧吹力 大，有利于切口熔化金屬的去除，所以切割效果更佳，一般用于切割厚度大于l00mm的 板材。
（2）噴嘴 噴嘴孔徑的大小應根據切割工件厚度和選用的離子氣種類確定。切割厚 度較大時，要求噴嘴孔徑也要相應增大；使用Ar＋H2混合氣體時，噴嘴孔徑可適當小一 些，使用N2時應大一些。
（3）空載電壓 等離子弧切割要求電源有較高的空載電壓（一般不低于150V），因 空載電壓低將使切割電壓的提高受到限制，不利于厚件的切割。
（4） 切割電流和切割電壓 切割電流和切割電壓是決定切割電弧功率的兩個重要參 數。選擇切割電流Ｉ應根據選用的噴嘴孔徑d的大小而定，其相互關系大致為 I＝ （30~100)d。
（5）切割速度 切割速度應根據等離子弧功率、工件厚度和材質來確定。在切割功 率相同的情況下，由于鋁的熔點低，切割速度應快些；鋼的熔點較高，切割速度應較慢； 銅的導熱性好，散熱快，故切割速度應更慢些。 （6）噴嘴高度 噴嘴端面至工件表面的距離為噴嘴高度。隨噴嘴高度的增大，等離 子弧的切割電壓提高，功率增大。
2．提高切割質量的途徑 良好的切割質量應該是切口面光潔、切口窄，切口上部呈直角、無熔化圓角，切口 下部無毛刺（熔瘤）。為實現上述質量要求，應注意下面幾點：
（1）切口寬度和平直度
（2）切口毛刺的消除
（3）避免產生雙弧 在等離子弧切割過程中，為保證切割質量，必須防止產生雙弧 現象。因為一旦產生雙弧，一方面使主弧電流減小，即主弧功率減小，導致切割參數不 穩，切口質量下降；另一方面噴嘴成為導體而易被燒壞，影響切割過程，同樣會降低切 口質量，甚至使切割無法進行。所以在進行等離子弧切割時，必須設法防止產生雙弧。 避免產生雙弧的措施與等離子弧焊接類似。
（4）大厚度工件的切割 為保證大厚度工件的切口質量，應采取下列工藝措施：
1）適當提高切割功率 2）適當增大離子氣流量 3）采用電流遞增或分級轉弧 四、其他等離子弧切割
1．空氣等離子弧切割 采用壓縮空氣作為離子氣的等離子弧切割稱空氣等離子弧切割。 一方面由于空氣來 源廣，因而切割成本低，為使等離子弧切割用于普通鋼材開辟了廣闊的前景；另一方面 用空氣作離子氣時，等離子弧能量大，加之在切割過程中氧與被切割金屬發生氧化反應 而放熱，因而切割速度快，生產率高。近年來，空氣等離子弧切割發展較快，應用越來 越廣泛。不僅能用于普通碳鋼與低合金鋼的切割，也可用于切割銅、不銹鋼、鋁及其他 材料。空氣等離子弧切割特別適合切割厚度在30mm以下的碳鋼、低合金鋼。
2．水再壓縮等離子弧切割 該方法是在普通的等離子弧外圍再用高速水束進行壓縮。切割時，從割槍噴出的除 等離子氣體外，還伴有高速流動的水束，共同迅速地將熔化金屬排開，形成切口。 高速水束有三種作用：①增強噴嘴的冷卻，從而增強等離子弧的熱收縮效應；②一 部分壓縮水被蒸發，分解成氫與氧一起參與構成切割氣體；③由于氧的存在，特別在切 割低碳鋼和低合金鋼時，引起劇烈的氧化反應，增強了材質的燃燒和熔化。圖6-16a、b 分別表示了壓縮水的兩種噴射形式，其中徑向噴水式對電弧的壓縮作用更強烈。
為了獲得高質量的焊縫應注意以下幾點。
1、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。
2、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。
3、當板厚大于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。
4、需用的墊板和壓板最好用導熱性不好的材料制造（如不銹鋼）。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。
5、板厚不大于lOmm時，在對接的坡口上海間隔150mm點固焊一點；板厚大于l0mm時，每間隔300mm點固焊一點。點固焊采用與正常焊接相同的電流。
6、進行多道焊時，焊完前一道焊道后應用鋼絲或銅絲刷清理焊道表面至露出純凈的鋁表面為止。
了解等離子弧焊接和切割的原理、特點及應用范圍； 目標 掌握等離子弧焊的基本方法； 能合理制定等離子弧焊工藝。 了解等離子弧堆焊、噴涂和切割的基本方法。 教學活動設計： 教學活動設計：
1 在實訓室中進行講練結合的現場教學；
2．利用多媒體課件、仿真等輔助教學； 教學重點： 教學重點：條電弧焊的原理、工藝特點 制定焊條電弧焊工藝； 掌握焊條電弧焊操作技術 教學難點： 教學難點：能合理制定等離子弧焊工藝。 了解等離子弧堆焊、噴涂和切割的基本方法。 學習單元一 認知等離子弧的焊接與切割 認知等離子弧的焊接與切割 等離子弧 一、等離子弧的形成 1．等離子弧 目前，焊接領域中應用的等離子弧實際上是一種壓縮電弧，是由鎢極氣體保護電弧 發展而來的。鎢極氣體保護電弧常被稱為自由電弧，它燃燒于惰性氣體保護下的鎢極與 焊件之間，其周圍沒有約束，當電弧電流增大時，弧柱直徑也伴隨增大，二者不能獨立 地進行調節，因此自由電弧弧柱的電流密度、溫度和能量密度的增大均受到一定限制。 實驗證明，借助水冷銅噴嘴的外部拘束作用，使弧柱的橫截面受到限制而不能自由擴大 時，就可使電弧的溫度、能量密度和等離子體流速都顯著增大。這種用外部拘束作用使 弧柱受到壓縮的電弧就是通常所稱的等離子弧。
2．等離子弧形成原理 目前廣泛采用的壓縮電弧的方法是將鎢極縮入噴嘴內部， 并且在水冷噴嘴中通以一 定壓力和流量的離子氣， 強迫電弧通過噴嘴孔道， 以形成高溫、 高能量密度的等離子弧， 如圖67-1所示。此時電弧受到下述三種壓縮作用： （1）機械壓縮效應 當把一個用水冷卻的銅制噴嘴放置在其通道上，強迫這個“自 由電弧” 從細小的噴嘴孔中通過時， 弧柱直徑受到小孔直徑的機械約束而不能自由擴大， 而使電弧截面受到壓縮。這種作用稱為“機械壓縮效應”。
（2）熱收縮效應 水冷銅噴嘴的導熱性很好，緊貼噴嘴孔道壁的“邊界層”氣體溫 度很低，電離度和導電性均降低。這就迫使帶電粒子向溫度更高、導電性更好的弧柱中 心區集中，相當于外圍的冷氣流層迫使弧柱進一步收縮。這種作用稱為“熱收縮效應”。
（3）電磁收縮效應 這是由通電導體間相互吸引力產生的收縮作用。弧柱中帶電的 粒子流可被看成是無數條相互平行且通以同向電流的導體。在自身磁場作用下，產生相 互吸引力，使導體相互靠近。導體間的距離越小，吸引力越大。這種導體自身磁場引起 的收縮作用使弧柱進一步變細，電流密度與能量密度進一步增加。 電弧在三種壓縮效應的作用下，直徑變小、溫度升高、氣體的離子化程度提高、能 量密度增大。最后與電弧的熱擴散作用相平衡，形成穩定的壓縮電弧。這就是工業中應 用的等離子弧。作為熱源，等離子弧獲得了廣泛的應用，可進行等離子弧焊接、等離子 弧切割、等離子弧堆焊、等離子弧噴涂、等離子弧冶金等。 在上述三種壓縮作用中，噴嘴孔徑的機械壓縮作用是前提；熱收縮效應則是電弧被 壓縮的最主要的原因；電磁收縮效應是必然存在的，它對電弧的壓縮也起到一定作用。
3．等離子弧的影響因素 等離子弧是壓縮電弧，其壓縮程度直接影響等離子弧的溫度、能量密度、弧柱挺度 和電弧壓力。影響等離子弧壓縮程度的因素主要有：
（1）等離子弧電流 當電流增大時，弧柱直徑也要增大。因電流增大時，電弧溫度 升高，氣體電離程度增大，因而弧柱直徑增大。如果噴嘴孔徑不變，則弧柱被壓縮程度 增大。
（2） 噴嘴孔道形狀和尺寸 噴嘴孔道形狀和尺寸對電弧被壓縮的程度具有較大的影 響，特別是噴嘴孔徑對電弧被壓縮程度的影響更為顯著。在其他條件不變的情況下，隨 噴嘴孔徑的減小，電弧被壓縮程度增大。
（3）離子氣體的種類及流量 離子氣（工作氣體）的作用主要是壓縮電弧強迫通過 噴嘴孔道，保護鎢極不被氧化等。使用不同成分的氣體作離子氣時，由于氣體的熱導率 和熱焓值不同，對電弧的冷卻作用不同，故電弧被壓縮的程度不同。 改變和調節這些因素可以改變等離子弧的特性，使其壓縮程度適應于切割、焊接、 堆焊或噴涂等方法的不同要求。例如為了進行切割，要求等離子弧有很大的吹力和高度 集中的能量，應選擇較小的壓縮噴嘴孔徑、較大的等離子氣流量、較大的電流和導熱性 好的氣體；為進行焊接，則要求等離子弧的壓縮程度適中，應選擇較切割時稍大的噴嘴 孔徑、較小的等離子氣流量。 二、等離子弧的特性 1．溫度高、能量密度大 普通鎢極氬弧的最高溫度為10000~24000K，能量密度在10 W/cm 以下。等離子弧的 最高溫度可達24000~50000K，能量密度可達105~l08W/cm2，且穩定性好。等離子弧和鎢極 氬弧的溫度比較如圖6-2所示。
2．等離子弧的能量分布均衡 等離子弧由于弧柱被壓縮，橫截面減小，弧柱電場強度明顯提高，因此等離子弧的 最大壓降是在弧柱區，加熱金屬時利用的主要是弧柱區的熱功率，即利用弧柱等離子體 的熱能。所以說，等離子弧幾乎在整個弧長上都具有高溫。這一點和鎢極氬弧是明顯不 同的。
3．等離子弧的挺度好、沖力大 鎢極氬弧的形狀一般為圓錐形，擴散角在45°左右；經過壓縮后的等離子弧，其形 態近似于圓柱形，電弧擴散角很小，約為5°左右，因此挺度和指向性明顯提高。等離 子弧在三種壓縮作用下，橫截面縮小，溫度升高，噴嘴內部的氣體劇烈膨脹，迫使等離 子體高速從噴嘴孔中噴出，因此沖力大，挺直性好。電流越大，等離子弧的沖力也越大， 挺直性也就越好。
4．等離子弧的靜特性曲線仍接近于U形 由于弧柱的橫截面受到限制，等離子弧的電場強度增大，電弧電壓明顯提高，U形 曲線上移且其平直區域明顯減小，。
5．等離子弧的穩定性好 等離子弧的電離度較鎢極氬弧更高，因此穩定性好。外界氣流和磁場對等離子弧的 影響較小，不易發生電弧偏吹和漂移現象。焊接電流在10A以下時，一般的鎢極氬弧很 難穩定， 常產生電弧漂移， 指向性也常受到破壞。 而采用微束等離子弧， 當電流小至0.1A 時，等離子弧仍可穩定燃燒，指向性和挺度均好。這些特性在用小電流焊接極薄焊件時 特別有利。 三、等離子弧的類型及應用 等離子弧按接線方式和工作方式不同， 可分為非轉移型、 轉移型和混合型三種類型， 如圖6-5所示。
1．非轉移型等離子弧 4 2 鎢極接電源的負極，噴嘴接電源的正極，焊件不接電源，電弧是在鎢極與噴嘴孔壁 之間燃燒的，非轉移弧主要在等離子弧噴涂、焊接和切割較薄的金屬及非金屬時采用。
2．轉移型等離子弧 鎢極接電源的負極、 焊件接電源的正極， 等離子弧燃燒于鎢極與焊件之間， 如圖6-5b 所示。但這種等離子弧不能直接產生，必須先在鎢極和噴嘴之間接通維弧電源，以引燃 小電流的非轉移型弧（引導弧），然后將非轉移型弧通過噴嘴過渡到焊件表面，再引燃 鎢極與焊件之間的轉移型等離子弧．（主弧），并自動切斷維弧電源。采用轉移弧工作 時，等離子弧溫度高、能量密度大，焊件上獲得的熱量多，熱的有效利用率高。常用于 等離子弧切割、等離子弧焊接和等離子弧堆焊等工藝方法中。 3．混合型等離子弧 在工作過程中非轉移型弧和轉移型弧同時存在，則稱之為混合型（或聯合型）等離 子弧，如圖6-5c所示。兩者可以用兩臺單獨的焊接電源供電，也可以用一臺焊接電源中 間串接一定電阻后向兩個電弧供電。其中的轉移弧主要用來加熱焊件和填充金屬，非轉 移弧用來協助轉移弧的穩定燃燒（小電流時）和對填充金屬進行預熱（堆焊時）。混合 型等離子弧穩定性好，電流很小時也能保持電弧穩定，主要用在微束等離子弧焊接和粉 末等離子弧堆焊等工藝方法中。 學習單元二 等離子弧焊接 等離子弧焊接一、等離子弧焊的基本方法及應用 等離子弧焊是借助水冷噴嘴對電弧的拘束作用， 獲得高能量密度的等離子弧進行焊 接的方法，國際統稱為PAW（Plasma Arc Welding）。按焊縫成形原理，等離子弧焊有 下列三種基本方法：穿孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊、微束等離子弧焊。
1．穿 透型等離子弧焊 穿透型焊接法又稱小孔型等離子弧焊。該方法是利用等離子弧直徑小、溫度高、能 量密度大、穿透力強的特點，在適當的工藝參數條件下實現的，焊縫斷面呈酒杯狀，如 圖6-7所示。焊接時，采用轉移型等離子弧把焊件完全熔透并在等離子流力作用下形成 一個穿透焊件的小孔，并從焊件的背面噴出部分等離子弧（稱其為“尾焰”）。熔化金 屬被排擠在小孔周圍，依靠表面張力的承托而不會流失。隨著焊槍向前移動，小孔也跟 著焊槍移動， 熔池中的液態金屬在電弧吹力、 表面張力作用下沿熔池壁向熔池尾部流動， 并逐漸收口、凝固，形成完全熔透的正反面都有波紋的焊縫，這就是所謂的小孔效應。 如圖6-8所示。利用這種小孔效應，不用襯墊就可實現單面焊雙面成形。焊接時一般不 加填充金屬， 但如果對焊縫余高有要求的話， 也可加入填充金屬。 目前大電流 （100 ~500A） 等離子弧焊通常采用這種方法進行焊接。
2．熔透型等離子弧焊 熔透型等離子弧焊又稱熔入型焊接法，它是采用較小的焊接電流（30~100A）和較 低的離子氣流量，采用混合型等離子弧焊接的方法。在焊接過程中不形成小孔效應，焊 件背面無“尾焰”。液態金屬熔池在弧柱的下面，靠熔池金屬的熱傳導作用熔透母材， 實現焊透。焊縫斷面形狀呈碗狀，如圖6-9所示。熔透型等離子弧焊基本焊法與鎢極氬 弧焊相似。焊接時可加填充金屬，也可不加填充金屬。主要用于薄板（0.5~2.5mm以下） 的焊接、多層焊封底焊道以后各層的焊接以及角焊縫的焊接。 3．微束等離子弧焊 焊接電流在30A以下的等離子弧通常稱為微束等離子弧焊。有時也把焊接電流稍大 的等離子弧歸為此類。這種方法使用很小的噴嘴孔徑（0.5~1.5mm），得到針狀細小 的等離子弧，主要用于焊接厚度1mm以下的超薄、超小、精密的焊件。 上述三種等離子弧焊方法均可采用脈沖電流，借以提高焊接過程的穩定性，此時稱 為脈沖等離子弧焊。脈沖等離子弧焊易于控制熱輸入和熔池，適于全位置焊接，并且其 焊接熱影響區和焊接變形都更小。尤其是脈沖微束等離子弧焊，特點更突出，因而應用 較廣。 交流等離子弧焊具有陰極清理作用，主要用來焊接鋁、鎂及其合金。熔化極等離子 弧焊實質上是一種等離子弧焊和MIG焊組合在一起的聯焊方法。 這兩種方法特點不突出， 目前用得尚不多。 二、等離子弧焊工藝
1．等離子弧焊的工藝特點 1）由于等離子弧的溫度高、能量密度大，因此等離子弧焊熔透能力強，可用比鎢 極氬弧焊高得多的焊接速度施焊。這不僅提高了焊接生產率，而且可減小熔寬、增大熔 深，因而可減小熱影響區寬度和焊接變形。
2）由于等離子弧的形態近似于圓柱形，挺度好，因此當弧長發生波動時熔池表面 的加熱面積變化不大，對焊縫成形的影響較小，容易得到均勻的焊縫成形。 3）由于等離子弧的穩定性好，使用很小的焊接電流也能保證等離子弧的穩定，故 可以焊接超薄件。
4）由于鎢極內縮在噴嘴里面，焊接時鎢極與焊件不接觸，因此可減少鎢極燒損和 防止焊縫金屬夾鎢。
2．等離子弧焊工藝
（1）接頭形式 用于等離子弧焊接的通用接頭形式為I形對接接頭、開單面V形和雙 面V形坡口的對接接頭以及開單面U形和雙面U形坡口的對接接頭。除此之外，也可用角 接接頭和T型接頭。
（2）焊接參數的選擇 等離子弧焊焊接時，焊透母材的方式主要有穿透焊和熔透焊 （包括微束等離子弧焊） 兩種。 在采用穿透型等子弧焊時， 焊接過程中確保小孔的穩定， 是獲得優質焊縫的前提。影響小孔穩定性的主要焊接工藝參數有：
1）噴嘴孔徑 噴嘴孔徑直接決定等離子弧的壓縮程度，是選擇其他參數的前提。在 焊接生產過程中，當焊件厚度增大時，焊接電流也應增大，但一定孔徑的噴嘴其許用電 流是有限制的，見表6-2。因此，一般應按焊件厚度和所需電流值確定噴嘴孔徑。
2）焊接電流 當其他條件不變時，焊接電流增加，等離子弧的熱功率也增加，熔透 能力增強。因此，應根據焊件的材質和厚度首先確定焊接電流。
3）離子氣種類及流量 目前應用最廣的離子氣是氬氣，適用于所有金屬。為提高焊 接生產效率和改善接頭質量，針對不同金屬可在氬氣中加入其他氣體。例如，焊接不銹 鋼和鎳合金時，可在氬氣中加入體積分數為5%~7.5%的氬氣；焊接鈦及鈦合金時，可在 氬氣中加入體積分數為50％~75％的氦氣。 當其他條件不變時，離子氣流量增加，等離子弧的沖力和穿透能力都增大。因此， 要實現穩定的穿孔法焊接過程，必須要有足夠的離子氣流量；但離子氣流量太大時，會 使等離子弧的沖力過大將熔池金屬沖掉，同樣無法實現穿透法焊接。
4）焊接速度 當其他條件不變時，提高焊接速度，則輸入到焊縫的熱量減少，在穿 孔法焊接時，小孔直徑將減小；如果焊速太高，則不能形成小孔，故不能實現穿透法焊 接。焊接速度的確定，取決于焊接電流和離子氣流量。
5）噴嘴高度 噴嘴端面至焊件表面的距離為噴嘴高度。生產實踐證明噴嘴高度應保 持在3 ~8mm較為合適。如果噴嘴高度過大，會增加等離子弧的熱損失，使熔透能力減小， 保護效果變差；但若噴嘴高度太小，則不便操作，噴嘴也易被飛濺物堵塞，還容易產生 雙弧現象。
6）保護氣成分及流量 等離子弧焊時，除向焊槍輸入離子氣外，還要輸入保護氣， 以充分保護熔池不受大氣污染。大電流等離子弧焊時保護氣與離子氣成分應相同，否則 會影響等離子弧的穩定性。小電流等離子弧焊時，離子氣與保護氣成分可以相同，也可 以不同，因為此時氣體成分對等離子弧的穩定性影響不大。保護氣一般采用氬氣，焊接 銅、不銹鋼、低合金鋼時，為防止焊縫缺陷，通常在氬氣中加一定量的氦氣、氫氣或二 氧化碳等氣體。保護氣流量應與離子氣流量有一個適當的比例。如果保護氣流量過大， 則會造成氣流紊亂，影響等離子弧穩定性和保護效果。穿透法焊接時，保護氣流量一般 選擇15~30L/min。 學習單元三 等離子弧切割 一、等離子弧切割原理及特點 1．等離子弧切割原理 等離子弧切割是利用等離子弧的熱能實現切割的方法。 國際統稱為PAC （Plasma Arc Cutting)。 等離子弧切割的原理與氧氣的切割原理有著本質的不同。 氧氣切割主要是靠氧與部 分金屬的化合燃燒和氧氣流的吹力，使燃燒的金屬氧化物熔渣脫離基體而形成切口的。 因此氧氣切割不能切割熔點高、導熱性好、氧化物熔點高和粘滯性大的材料。等離子弧 切割過程不是依靠氧化反應，而是靠熔化來切割工件的。等離子弧的溫度高（可達 50000K），目前所有金屬材料及非金屬材料都能被等離子弧熔化，因而它的適用范圍比 氧氣切割要大得多。 等離子弧切割原理見圖6-14，其中圖6-14a采用轉移弧，適用于金屬材料切割，圖 6-14b采用非轉移弧，既可用于非金屬材料切割，也可用于金屬材料切割，但由于工件 不接電源。電弧挺度差，故能切割的金屬材料厚度較小。
2．等離子弧切割特點
（1）切割速度快，生產率高 它是目前常用的切割方法中切割速度最快的。
（2）切口質量好 等離子弧切割切口窄而平整，產生的熱影響區和變形都比較小， 特別是切割不銹鋼時能很快通過敏化溫度區間，故不會降低切口處金屬的耐蝕性能；切 割淬火傾向較大的鋼材時，雖然切口處金屬的硬度也會升高，甚至會出現裂紋，但由于 淬硬層的深度非常小，通過焊接過程可以消除，所以切割邊可直接用于裝配焊接。
（3） 應用面廣 由于等離子弧的溫度高、 能量集中， 所以能切割幾乎各種金屬材料， 如不銹鋼、鑄鐵、鋁、鎂、銅等，在使用非轉移性等離子弧時，還能切割非金屬材料， 如石塊、耐火磚、水泥塊等。 三、等離子弧切割工藝 1．切割工藝參數的選擇 等離子弧切割工藝參數較多，主要有離子氣種類和流量、噴嘴孔徑、空載電壓、切 割電流和切割電壓、切割速度和噴嘴高度等。各種參數對切割過程的穩定性和切割質量 均有不同程度的影響，切割時必須依據切割材料種類、工件厚度和具體要求來選擇。
（1）離子氣的種類和流量 等離子弧切割時，氣體的作用是壓縮電弧，防止鎢極氧 化，吹掉割縫中的熔化金屬，保護噴嘴不被燒壞。離子氣的種類和流量對上述作用有直 接影響，從而影響切割質量。一般切割l00mm以下的不銹鋼、鋁等材料時，可以使用純 氮氣或適當加些氬氣， 既經濟又能保證切割質量； 當使用Ar ＋φ 2） （H 35％混合氣體時， 由于H2的熱焓大，熱導率高，對電弧的壓縮作用更強，氣體噴出時速度極高。電弧吹力 大，有利于切口熔化金屬的去除，所以切割效果更佳，一般用于切割厚度大于l00mm的 板材。
（2）噴嘴 噴嘴孔徑的大小應根據切割工件厚度和選用的離子氣種類確定。切割厚 度較大時，要求噴嘴孔徑也要相應增大；使用Ar＋H2混合氣體時，噴嘴孔徑可適當小一 些，使用N2時應大一些。
（3）空載電壓 等離子弧切割要求電源有較高的空載電壓（一般不低于150V），因 空載電壓低將使切割電壓的提高受到限制，不利于厚件的切割。
（4） 切割電流和切割電壓 切割電流和切割電壓是決定切割電弧功率的兩個重要參 數。選擇切割電流Ｉ應根據選用的噴嘴孔徑d的大小而定，其相互關系大致為 I＝ （30~100)d。
（5）切割速度 切割速度應根據等離子弧功率、工件厚度和材質來確定。在切割功 率相同的情況下，由于鋁的熔點低，切割速度應快些；鋼的熔點較高，切割速度應較慢； 銅的導熱性好，散熱快，故切割速度應更慢些。 （6）噴嘴高度 噴嘴端面至工件表面的距離為噴嘴高度。隨噴嘴高度的增大，等離 子弧的切割電壓提高，功率增大。
2．提高切割質量的途徑 良好的切割質量應該是切口面光潔、切口窄，切口上部呈直角、無熔化圓角，切口 下部無毛刺（熔瘤）。為實現上述質量要求，應注意下面幾點：
（1）切口寬度和平直度
（2）切口毛刺的消除
（3）避免產生雙弧 在等離子弧切割過程中，為保證切割質量，必須防止產生雙弧 現象。因為一旦產生雙弧，一方面使主弧電流減小，即主弧功率減小，導致切割參數不 穩，切口質量下降；另一方面噴嘴成為導體而易被燒壞，影響切割過程，同樣會降低切 口質量，甚至使切割無法進行。所以在進行等離子弧切割時，必須設法防止產生雙弧。 避免產生雙弧的措施與等離子弧焊接類似。
（4）大厚度工件的切割 為保證大厚度工件的切口質量，應采取下列工藝措施：
1）適當提高切割功率 2）適當增大離子氣流量 3）采用電流遞增或分級轉弧 四、其他等離子弧切割
1．空氣等離子弧切割 采用壓縮空氣作為離子氣的等離子弧切割稱空氣等離子弧切割。 一方面由于空氣來 源廣，因而切割成本低，為使等離子弧切割用于普通鋼材開辟了廣闊的前景；另一方面 用空氣作離子氣時，等離子弧能量大，加之在切割過程中氧與被切割金屬發生氧化反應 而放熱，因而切割速度快，生產率高。近年來，空氣等離子弧切割發展較快，應用越來 越廣泛。不僅能用于普通碳鋼與低合金鋼的切割，也可用于切割銅、不銹鋼、鋁及其他 材料。空氣等離子弧切割特別適合切割厚度在30mm以下的碳鋼、低合金鋼。
2．水再壓縮等離子弧切割 該方法是在普通的等離子弧外圍再用高速水束進行壓縮。切割時，從割槍噴出的除 等離子氣體外，還伴有高速流動的水束，共同迅速地將熔化金屬排開，形成切口。 高速水束有三種作用：①增強噴嘴的冷卻，從而增強等離子弧的熱收縮效應；②一 部分壓縮水被蒸發，分解成氫與氧一起參與構成切割氣體；③由于氧的存在，特別在切 割低碳鋼和低合金鋼時，引起劇烈的氧化反應，增強了材質的燃燒和熔化。圖6-16a、b 分別表示了壓縮水的兩種噴射形式，其中徑向噴水式對電弧的壓縮作用更強烈。
