1.等离子弧焊设备系统

图6-7 等离子弧焊接机器人^［3］

图6-8 典型的手工及自动等离子弧焊设备^［3］

等离子弧焊工艺按照操作方式可以分为手工操作、自动操作及机器人操作三种。设备分为手工焊设备及自动焊设备，如图6-8所示。一个完整的手工等离子弧焊系统由焊枪、控制台、电源、离子气及保护气气源、焊枪冷却循环水装置及一些辅助部件如气流流量计及电流遥控盒等。与氩弧焊不同，等离子弧焊的焊枪必须是水冷的，手工等离子弧焊枪的许用正接电流范围为0.1～220A。

图6-8 典型的手工及自动等离子弧焊设备^［3］（续）

大电流等离子弧焊工艺需使用自动焊设备，自动焊枪许用的正接电流高达500A。自动焊和手工焊的主要区别在于焊枪不是人工操作而是将其固定在焊枪支架或是行走小车之上，由机械系统传动。自动焊设备配备一个顺序控制器，如图6-8所示，其作用是使一个完整的焊接工艺按顺序自动进行。如果焊缝有填丝要求，自动焊设备中还应增加送丝机构。根据工艺需要，有的自动等离子弧焊设备还要配备弧高控制器。自动等离子弧焊的优点是可以在大电流的规范下获得高的焊速和大的熔深。另外，由于自动焊接可以准确地控制焊接规范，精密等离子弧焊工艺或穿透型等离子弧焊工艺也必须使用自动焊。

机器人等离子弧焊系统的特点是，当控制系统测出所有器件准备好并且所有安全互锁都满足要求时，自动地引燃转移弧进行焊接。

按照焊接电流大小，等离子弧焊设备又可分为大电流等离子弧焊设备和微束等离子弧焊设备。大电流等离子弧焊设备常采用转移弧，设备中只有一套电源供电；而微束等离子弧焊设备常采用联合弧，需两套电源供电。图6-9及图6-10分别为大电流等离子弧及微束等离子弧焊系统示意图。

2.等离子弧焊控制系统

等离子弧焊工艺的主要控制由控制系统完成。控制系统可以与电源集成在一起，也可以单独做成一个控制箱（台）。一个典型的等离子弧控制系统的主要功能包括：设定离子气流量、保护气流量、维弧电流、主弧电流等。一个独立的控制箱通常还包括水流、气流的流量调节，一个用于引燃维弧的高频引弧器及一个维弧电源。除此之外，控制系统还有可能提供对离子气流量、离子气上升速率及下降速率的控制，从而可以更方便地实现熔透型或穿透型的焊接工艺。对离子气上升速率的控制是为了打开小孔，对离子气下降速率的控制是为了封闭小孔。有些控制箱具有对离子气上升速率及下降速率的编程控制功能，以便根据不同的焊接条件打开及闭合小孔。大多数控制系统还具有保护功能的用于检测水流或气流的传感器，当水流或气流过低时，传感器发出信号中断主弧电流或维弧电流以防止焊枪被损坏。许多控制箱都集成了循环水系统。典型的控制箱如图6-11所示。

3.引弧装置

使用大电流焊枪时，如图6-9所示，可在焊接回路中叠加一个高频高压振荡器（或高压脉冲装置）。引弧时，kM₁闭合，依靠高频高压火花（或高压脉冲）在钨极与喷嘴之问引燃非转移弧。焊接时kM₁断开，kM₂闭合，等离子弧转移至电极与工件之问。串联电阻是为了获得非转移弧需要的低电流。

使用微束等离子弧焊枪有两种引燃非转移弧的方法。一种是借助焊枪上的电极移动机构（弹簧移动机构或螺纹调节机构）向前推进电极，直至电极与压缩喷嘴接触，然后回抽电极引燃非转移弧。另一种引弧方法如同使用大电流焊枪一样，采用高频振荡器。

图6-9 大电流等离子弧焊系统示意图^［4］

1—焊接电源 2—高频振荡器 3—离子气 4—冷却水 5—保护气 6—保护气罩 7—钨极 8—等离子弧 9—工件 10—喷嘴 11—电阻kM₁、kM₂—接触器触头

图6-10 微束等离子弧焊系统示意图^［4］

1—焊接电源 2—维弧电源 3—钨极 4—离子气 5—冷却水 6—保护气 7—喷嘴 8—保护气罩 9—等离子弧 10—工件kM—接触器触头

图6-11 典型的等离子弧焊控制箱^［3］

注：图中是自动焊枪。

4.电源

为等离子弧供电的电源应具有陡降或垂降特性，电源最好具有电流递增及电流衰减等功能，以满足起弧及收弧的工艺要求。常使用的电源有直流电源、直流脉冲电源及交流变极性电源。

1）直流电源。直流电源是等离子弧焊使用最多的电源，电流范围为0.1～500A。其中0.1～30A的微束等离子弧常采用联合弧，需两套电源供电，如图6-10所示。图中维弧电源2的输出电流是不可调的，一般为2～5A，而焊接电源1的输出电流可以在0.1～30A范围内调节。大电流等离子弧采用转移弧，只需一个电源，如图6-9所示。

电源空载电压与离子气种类有关。用纯Ar或φ（H₂）≤7％的Ar-H₂混合气体作离子气时，电源空载电压需65～80V。但如采用纯He或φ（H₂）大于7％的Ar-H₂混合气体作离子气时，为了可靠地引弧及保持电弧的稳定性，则需采用较高的空载电压。如引燃电弧的成功率不高，可先在纯Ar中引燃电弧，电弧引燃后再通H₂气或者更换成He气。

2）脉冲电源。脉冲直流电源也可用于等离子弧焊。脉冲等离子弧焊电源与脉冲TIG电源相似，电源输出电流波形如图6-12所示，输出电流在脉冲电流与基值电流之问转换。脉冲电流期问，母材熔化，基体电流期问，熔化金属凝固成焊缝。脉冲焊接法可降低焊缝热输入、控制焊缝成形、减少热影响区宽度及焊接变形。图6-12中，基值电流、脉冲电流、脉冲电流时问以及基值电流时问均是可调节的。

图6-12 脉冲电流波形

3）变极性交流方波电源。变极性交流方波电源输出正（工件接正）、负（工件接负）半周电流幅值及正、负半周电流持续时问均可调节的交流矩形波电流，电流波形如图6-13所示。

变极性交流方波电源主要用于穿透型工艺焊接铝合金。在铝合金焊接工艺中，焊前表面处理一般包括表面除油垢及清除氧化膜。一般可采用弱碱溶液清除表面油垢而用机械法清除氧化膜。然而在变极性交流铝合金焊接工艺中，由于负半周的电流具有较强的清理氧化膜的功能，焊接大多数种类的铝合金时，无须用机械法清除氧化膜。

图6-13 典型的变极性电流波形

在穿透型等离子弧焊接铝合金的工艺中，正、负半周电流持续时问是非常重要的焊接参数。根据经验，正半周电流持续时问取15～20ms，负半周电流持续时问取2～5ms可获得最佳焊接效果。当负半周电流持续时问低于2ms，焊缝易出现气孔；而负半周电流持续时问超过6ms，不但钨极烧损严重，而且还易出现双弧。在图6-13中，负半周电流大于正半周电流，这部分大于正半周的电流不仅起到清理工件氧化膜的作用，同时还使压缩喷嘴孔径表面得到清理，负半周电流可以比正半周电流大30～80A。表6-1是使用变极性交流方波电流焊接板厚6.4mm的铝合金典型参数。

5.等离子弧焊枪

等离子弧焊时产生等离子弧并用以进行焊接的工具称等离子弧焊枪。等离子弧焊枪结构比TIG焊枪更为复杂，压缩喷嘴是等离子弧焊枪的关键部件。

1）焊枪结构。等离子弧焊枪在结构上应达到：①能固定钨极与喷嘴之问的相对位置，并要求钨极与喷嘴孔径同心。②能够水冷钨极及喷嘴，20A以下的焊枪可以不水冷钨极，但必须冷却喷嘴。③喷嘴要与钨极有一定问隙，以便在钨极与喷嘴问产生非转移弧。④采用单独的气路分别导入离子气与保护气。

表6-1 在平焊、横焊及立焊条件下的变极性铝合金焊接参数^［5］

等离子弧焊枪按其操作方式分为手工焊枪及自动焊枪。手工焊枪结构如图6-14所示。自动焊枪结构如图6-15所示。

手工焊枪的最大许用正接电流一般为225A，反接电流不超过70A。手工焊枪也可以将其固定在行走装置及支架上进行自动焊接。

不论是直流正接、反接还是交流方波焊接都可以使用商品化的自动焊枪。直流正接应用最多，电流等级范围在10～500A之问，常常使用脉冲焊接电流进行焊接。(www.daowen.com)

自动等离子弧焊焊枪与手工焊枪的原理相同，只是在外形及体积上有差别。自动焊枪的结构多为直线状，为了自动焊接，有的枪体有曲柄，以便将其安装在标准化的焊枪夹上。由于自动焊枪的许用电流大，它们的直径及体积一般比手工焊枪大。

2）压缩喷嘴。压缩喷嘴是等离子弧焊枪中产生等离子弧的关键零件之一，它对电弧直径起机械压缩作用，它是一个铜质的水冷喷嘴。压缩喷嘴结构、类型和尺寸对等离子弧性能起决定性作用。

图6-14 手工等离子弧焊枪断面图^［11］

图6-15 自动等离子弧焊枪断面图^［3］

图6-1中，喷嘴孔径d_n及孔道长度l₀是压缩喷嘴的两个重要尺寸。孔径d_n决定等离子弧直径和能量密度，应根据电流和离子气流量来决定。对于给定的电流和离子气流量，增加d_n则降低喷嘴对电弧的压缩作用，弧压也随之降低，等离子弧逐渐向TIG电弧转化；而减少d_n易出现双弧，破坏等离子弧的稳定性。表6-2列出常用等离子弧电流与喷嘴孔径问的关系。

表6-2 等离子弧电流与喷嘴孔径间的关系^［6］

孔径d_n确定后，孔道长l₀增大则对等离子弧的压缩作用增大，同时也易出现双弧，常以l₀/d_n表示喷嘴孔道的压缩特征，称孔道比。孔道比推荐值见表6-3。

表6-3 喷嘴孔道比^［2］

等离子弧焊常用压缩喷嘴结构类型如图6-16所示。图6-16a和b喷嘴的压缩孔道为圆柱形，在等离子弧焊中应用最广。图6-16c、d及e喷嘴的压缩孔道为收敛扩散型，减弱了对等离子弧的压缩作用。但这种喷嘴可以采用更大的焊接电流而不产生（或很少产生）双弧。所以收敛扩散型喷嘴适用于大电流、厚板焊接。图6-16b、d、e均有大小孔3个，属三孔型喷嘴。

图6-16 等离子弧焊常用的压缩喷嘴结构类型

a）圆柱单孔型 b）圆柱三孔型 c）收敛扩散单孔型 d）收敛扩散三孔型 e）有压缩段的收敛扩散三孔型 d_n—喷嘴孔道直径 l₀—喷嘴孔道长度 α—压缩角

三孔型喷嘴除了中心孔外，其左右各有一个对称的小孔，采用三孔道喷嘴焊接时，电弧及部分离子气从较大的中心孔流出，而其他离子气则通过两旁较小的孔道。从这两个小孔喷出的离子气流可将等离子弧产生的圆形热场变成椭圆形。当3个孔中心的连线与焊道垂直时，椭圆形热场的长轴平行于焊接方向，这将有助于提高焊接速度及降低焊缝宽度。

压缩角α对等离子弧压缩作用不大，一般取60°。

最通用的喷嘴材料是纯铜。水冷铜嘴可将电弧压缩至16600℃高温。正常焊接时，喷嘴内部电弧弧柱被一层冷气膜包围，如果喷嘴冷却效果不好，冷气膜便容易被击穿形成双弧，破坏正常的焊接过程。大功率喷嘴必须采用直接水冷，为提高冷却效果，喷嘴壁厚一般不大于2～2.5mm。

给焊枪供气的喷孔气体流速低，不能提供足够体积的气体保护熔池，所以保护气体是必需的。另外，在孔焊中由等离子束引起的紊流更会减少等离子气体覆盖率。保护气体由保护气体喷嘴提供，分布在焊枪压缩喷嘴的周围。在一些应用中，为了更好地保护工件，需要额外的保护气体拖罩增强保护。

3）电极夹。等离子弧焊焊枪的电极夹装置可以由各种各样的铜合金组成。大部分焊枪的电极夹能使电极自动对准喷嘴孔道的中心。然而一些焊枪需要手工对准电极，操作方法是根据电极和喷嘴之问的高频火花来检查，在压缩喷嘴和电极问生成小功率电弧，然后操作员调节电极位置，直到高频电弧能平稳地分布在电极周围。这样可以使电极电气对中（指高频火花对中），只是此法对中消耗时问较多。钨极电气对中可以延长电极和压缩喷嘴的使用寿命。任何电极的错位都可以引起电弧集中在焊枪的局部。这样会导致靠近喷孔附近的铜喷嘴快速磨损和熔化，还有可能引起焊缝污染和咬边。

6.电极

1）电极材料。等离子弧焊枪所采用的电极材料与钨极氩弧焊相同。目前国内主要采用钍钨和铈钨电极。国外还采用锆钨极［w（Zr）＝0.15％～0.40％］。表6-4列出了钍钨电极的正接许用电流，也可供铈钨电极做参考。由于等离子弧焊枪对钨电极的冷却及保护效果均优于氩弧焊枪，所以钨极烧损程度比氩弧焊时少。

表6-4 等离子弧钨棒直径电流范围^［2］

为了便于引弧和提高电弧稳定性，直流正接焊接工艺中，电极端部要磨成20°～60°的夹角，如图6-17a、b、c所示。在直流正接大电流工艺中，为保持电极端部形状及降低钨极烧损程度，电极端部要磨成锥球形或球形，如图6-17d、e所示。在交流焊接工艺中，常将钨极磨成尖锥形后，再烧一个圆球，如图6-17f所示。由于直流反接电流严重烧损钨极，降低钨电极的许用电流，现已很少采用直流反接焊接工艺。

图6-17 电极端部形状^［2］

a）尖锥形 b）圆台形 c）圆台尖锥形 d）锥球形 e）球形 f）尖锥球形

2）内缩和同心度。在图6-1中，由钨极安装位置所确定的电极内缩长度l_r一般取l_r＝l₀±0.2mm。

安装电极时注意电极与喷嘴保持同心。电极偏心将使等离子弧偏斜，影响焊缝成形并且是促成双弧的一个诱因。同心度可根据电极和喷嘴之问的高频火花在电极四周的分布情况来检查（图6-18），一般焊接时要求高频火花布满圆周75％～80％以上。

图6-18 电极同心度及高频火花在电极四周分布情况^［2］

7.冷却系统

等离子弧焊需要液体冷却系统。它一般由冷却液体存储罐、散热器、泵、流量传感器和控制开关组成。与冷却液体接触表面必须涂有防腐材料。在等离子弧焊的操作中，冷却系统和冷却剂的条件非常重要，因为冷却的过程是通过空气和水的热交换来冷却焊枪头和电缆的。

对于连续操作的设备，保持散热器有良好的散热条件，冷却剂不具有腐蚀性是绝对必要的，只有去离子水（蒸馏水）才能用在等离子弧焊接的冷却系统中。如果冷却液体被污染，它将成为电解质，破坏等离子枪中钨极与喷嘴之问的绝缘，严重时形成钨极到喷嘴的短路，这将阻碍维持电弧的产生。在给冷却系统加水时，操作人员应特别注意不要引入污染物，以免冷却液体成为电解液。

8.辅助装置

在等离子弧焊中使用辅助装置可以提高生产效率及质量。辅助装置包括送丝机、弧压控制系统、焊枪摆动器和定位设备。在钨极氩弧焊系统中使用的是同样的辅助装置。

（1）送丝机 钨极氩弧焊的送丝系统（冷丝）可以用在等离子弧焊过程中。填充焊丝被加在熔池或小孔（穿透型等离子弧焊）的前沿。大部分送丝机的送丝速度在焊接前是预先设定好的，也有的送丝机的功能更加完善，像在机器人系统中使用的送丝机，能够通过送丝速度测算出连续的焊缝断面图。当焊接较厚的材料时，送丝系统可以减轻咬边和未焊透的发生，同时可以通过稳定地填充金属来提高焊缝的均匀性。

像钨极氩弧焊一样，热送丝系统也可以被使用，但应该把焊丝送入熔池的后沿。对于冷送丝，送丝的开始和终止都应该由自动焊接设备控制和编程。

当使用脉冲电流焊接时，一种常用的技术是当有等离子弧电流脉冲发生时，同步地将填充金属放入焊缝中。这种技术被广泛地用在航天和航空工业中，例如，用来焊接气体涡轮引擎上的曲径气封的边缘。

（2）电弧电压控制器 电弧电压控制系统是通过调节焊枪与工件之问的距离来使等离子弧电压在焊接过程达到设定值。由于等离子弧焊的焊接过程对电弧长度的变化不是很灵敏，所以电弧电压控制器设备对许多应用并不是必需的。但当使用熔透型的方法焊接表面形状不规整的工件时，或者用穿透型焊接时，电弧电压控制是很有益处的。如果电弧电压控制器是用电弧做弧高传感器，在焊接开始时或者焊口填满时，由于电流或等离子气体流动速度改变，这种电弧控制必须减弱或封锁，因为改变这些焊接参数也会改变电弧电压。电弧电压控制器系统仅仅被用在机器人或自动焊操作中。

（3）焊枪摆动器 在机器人或自动等离子弧焊中，当要求摆动焊枪时，也常常需要用到焊枪摆动器。常通过调节摆动器的摆动速率、摆幅和停顿时问来适应具体的焊道。速率是摆动器将焊枪垂直于焊道从一边端点移动到另一边端点的速率，两个端点之问的距离叫作摆幅。停顿时问是摆动器在到达一边端点时的停留时问。焊枪摆动器主要用在表面处理，如等离子弧堆焊。