1.等离子和等离子弧的产生及特点
（1）等离子和等离子弧的产生 原子运动速度加快，使带负电荷的电子脱离带正电荷的原子核，成为自由电子，而原子本身就成了带正电的离子，这种现象就叫电离。若使气体完全电离，得到全是由带正电的正离子和带负电的电子所组成的电离气体，称为等离子体或等离子。
等离子体是物质固态、液态和气态以外的第四态。由于等离子体全部由离子和电子组成，所以等离子体具有极好的导电能力，可以承受很大的电流密度，并能受电场和磁场的作用。等离子体还具有极高的温度和极好的导热性，能量又高度集中，这有利于熔化一些难熔的金属或非金属。普通的焊接电弧，由于能量不够集中，气体电离得不够充分，因此它实际上只能称为不完全的等离子体。
通过对电弧进行强迫压缩，使弧柱截面收缩，弧柱中的气体几乎达到全部离子体状态的电弧，称为等离子弧。
等离子弧实际上就是一种高度压缩了的电弧。由于电弧经过压缩，能量密度大，温度高（10000～30000℃或更高），弧柱中心部分附近的气体都电离成离子及电子。而普通的电弧没有经过压缩，这就是二者质的区别。
等离子弧既可用来进行焊接，也可用来进行切割。
（2）等离子弧的特点
1）由于等离子弧有很高的导电性，能承受很大的电流密度，因而可以通过极大的电流，故具有极高的温度。又因其截面很小，则能量高度集中。用于切割的等离子弧，在喷嘴附近温度最高可达30000℃。
2）等离子弧的截面很小，从温度最高的弧柱中心到温度最低的弧柱边缘，温差非常大。
3）由于各种强迫压缩作用，以及电离程度极高和放电过程稳定，所以，圆柱形的等离子弧挺度好。
4）喷嘴中通入的压缩气体在高温作用下膨胀，又在喷嘴的阻碍作用下压缩力增加，从喷嘴喷出时速度很高（可超过声速）。所以等离子弧有很强的机械冲击力。这一点特别有利于切割，可使切口窄而且平齐。
5）由于等离子弧中正离子和电子所带的正、负电荷数量相等，故等离子弧呈中性。
2.等离子弧切割的原理和特点
（1）等离子弧的切割原理 等离子弧切割是利用高温、高冲击力的等离子弧为热源，将被切割的材料局部迅速熔化，同时，利用压缩产生的高速气流的机械冲刷力，将已熔化的材料吹走，从而形成狭窄切口的切割方法。它是属于热切割性质，这与氧乙炔焰切割在本质上是不同的。它是随着割炬向前移动而完成工件切割，其切割过程不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割材料。
（2）等离子弧切割的特点
1）应用面很广。由于等离子弧的温度高、能量集中，所以能切割各种高熔点金属及其他切割方法不能切割的金属，如不锈钢、耐热钢、钛、钨、铸铁、铜、铝及其合金等。在使用非移动等离子弧时，由于割件不接电，所以在这种情况下还能切割各种非导电材料，如耐火砖、混凝土、花岗石、碳化硅等。
2）切割速度快，生产效率高。它是日前采用的切割方法中切割速度最快的。
3）切口质量好。等离子弧切割时，能得到比较狭窄、光洁、整齐、无熔渣、接近于垂直的切口。由于温度高，加热、切割的过程快，所以此法产生的热影响区和变形都比较小。特别是切割不锈钢时能很快通过敏化温度区间，故不会降低切口处金属的耐蚀性；切割淬火倾向较大的钢材时，虽然切口处金属的硬度也会升高，甚至会出现裂纹，但由于淬硬层的深度非常小，通过焊接过程可以消除，所以切割边可直接用于装配焊接。
4）成本较低。特别是采用氮气等廉价气体时，成本更为低廉。
3.等离子弧的发生装置
图3-37所示为产生等离子弧的装置。(www.xing528.com)
电极接直流电源的负极，工件接正极，在电极和工件间加上一较高的电压，经过高频振荡器的激发，使气体电离形成电弧，然后将氩气或氮气在很高的压力与速度下，围绕电弧；吹过电弧放电区域，由于电弧受热压缩、机械压缩和磁压缩的作用，弧柱直径缩小，能量集中，弧柱温度很高，气体电离度很高，这种高度电离的离子流则以极高的速度喷出，形成明亮的等离子焰流。
图3-37 产生等离子弧的装置图
1—钨极 2—进气管 3—高频振荡器、电源
4—进水管 5—喷嘴 6—工件
7—等离子弧 8—出水管
所谓热压缩作用是指气体流量及不同性质气体对电弧的压缩作用，气体通过弧柱时，气体要吸收很多热能而后电离成离子弧，当离子弧在通过用水冷却的枪体喷嘴时，贴近喷嘴壁面的气体电离度急速下降，导电能力很差，形成一个圆柱形绝缘绝热层，保护喷嘴内壁。气体流量加大时，已离子化的等离子流被压缩到弧柱的中心部位，弧柱直径显著缩小，电流密度明显增高。
通入不同的气体对电弧的压缩性有不同的影响，氢的压缩作用最大，氮其次之，氩更次之。由于氮气价格低廉，且切割速度及质量比较稳定，故获得广泛应用。
机械压缩作用是指喷嘴的尺寸和形状对弧柱的压缩影响。若喷嘴直径缩小时，弧柱直径相应被压缩而减小。
当离子流在加速电场中运动时，可以看成是无数根导体。而两根平行同向电流的导体，在电磁力作用下会使两根导线互相靠近，导体直径越小，在电流量不变的情况下，电流密度越大，电磁力越大。而在热压缩和机械压缩作用下，弧柱直径缩小，同时又相应产生很大的磁压缩，使电弧变得更细，这种压缩作用通常称为磁压缩作用。
4.等离子弧切割工艺
等离子弧切割的气体一般用氮气或氮氢混合气体，也可用氩气或氩氢、氩氮混合气。氩气由于价格昂贵，使切割成本增加，所以基本不用。而氢气作为单独的切割气体易燃烧和爆炸，所以也未获得应用。但氢气的导热性较好，对电弧有强烈的压缩作用，所以采用加氢的混合气体时，等离子弧的功率增大，电弧高温区加长。如果采用氮氢混合气体，便具有比使用氮气更高的切割速度和厚度。
切割电极采用含钍质量分数为1.5%～2.5%的钍钨棒，这种电极比采用钨棒作电极的烧损要小，并且电弧稳定。因钍钨棒有一定的放射性，而铈钨极几乎没有放射性，等离子弧的切割性能比钍钨棒好，因此也有采用的。
为了利于热发射，使等离子弧稳定燃烧，以及减少电极烧损，等离子弧切割时一般都把钨极接负，工件接正，即所谓正接法。
等离子弧切割内圆或内部轮廓时，应在板材上预先钻出直径约为12～16mm的孔，并由孔开始切割。等离子弧切割时，为了保证安全，应注意下列几个方面：
1）等离子弧切割时的弧光及紫外线，对人的皮肤及眼睛均有伤害作用，应注意加强保护措施（穿工作服、戴面罩等）。
2）等离子弧切割时，产生大量的金属蒸气和气体，吸入人体内常产生不良的反应，所以工作场地必须安装强制抽风设备。
3）电源要接地，割枪的手把绝缘要好。
4）钍钨极是钨与氧化钍经粉末冶金制成。钍具有一定的放射性，但一根钍钨棒的放射剂量很小，对人体影响不大。大量钍钨棒存放或运输时，因剂量增大，应放在铅盒里。在磨削钍钨棒时，产生的尘末若进入人体则是不利的，所以在砂轮机上磨削钍钨棒时，必须装有抽风装置。
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