Сварочная дуга представляет собой электрический дуговой разряд в ионизированной смеси газов, паров металла и компонентов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и т. д.

Если ионизированный воздушный промежуток находится в электрическом поле, то подвижные газовые ионы приходят в движение и создают электрический ток. Однако при вязкой ионизации наступает динамическое равновесие, заключающееся в том, что в каждую единицу времени восстанавливается столько же молекул из ионов (молизация, рекомбинация), сколько распадается. Таким образом, как только прекращается действие ионизирующих факторов, исчезает электропроводимость и ток прекращается.

Для возбуждения дугового разряда при сварке для получения начальной ионизации обычно два электрода сводят до соприкосновения (электрод и деталь), а затем их быстро разводят. При достаточно большом токе при соприкосновении электродов в промежутке между концами электродов выделяется большое количество теплоты. Ток между электродами проходит через мелкие неровности на торцах и разогревает их до расплавления. При быстром разведении электродов расплавленные мостики растягиваются и сужаются, вследствие чего плотность тока доходит в них в момент разрыва до такой величины, что обращает их в пар. При высокой температуре паров металла ионизация промежутка получается настолько значительной, что при сравнительно небольшой разности потенциалов между концами электродов возникает дуговой разряд. Разряд поддерживается далее как стационарная устойчивая дуга в том случае, если сохраняются факторы, поддерживающие ионизацию дугового промежутка.

При нагреве концов электродов имеющиеся всегда в металле электроны получают такое приращение кинетической энергии, что становятся в состоянии вылететь за пределы поверхности катода. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии. Если между электродами имеется достаточно сильное электрическое поле (достаточная разность потенциалов), то полет запряженных частиц ориентируется полем и устанавливается стабильная дуга. В момент зажигания дуги промежуток еще недостаточно нагрет и для его ионизации необходима увеличенная кинетическая энергия, которая может быть получена усилением электрического поля, т. е. некоторым повышением напряжения между электродами по сравнению с тем напряжением, которое требуется для поддержания дуги в установившемся состоянии.

Сварочная дуга

Схема горения дуги

При увеличении силы тока в дуге с возрастанием его плотности возрастает и электропроводимость газа, т. е. уменьшается сопротивление дугового промежутка, вследствие чего та часть общего напряжения цепи, которая приходится на дуговой промежуток, падает. Таким образом, для поддержания большего тока в дуге требуется меньшее напряжение, чем для поддержания меньшего тока. Опытным путем установлено, что указанная зависимость существует при токах в дуге до 50 А, когда зависимость между силой тока в дуге и напряжением дугового промежутка является однозначной при определенных неизменяемых условиях (длина столба дуги, состав газовой среды, свойства электродов). С увеличением силы тока напряжение дуги падает. Однако для больших токов (выше 50 А), которые используются обычно при дуговой сварке, напряжение дуги постоянной длины сохраняется практически постоянным. Это явление объясняется тем, что электропроводимость дугового промежутка при увеличении силы тока до 50 А возрастает быстрее силы тока, а более 50 А электропроводимость возрастает прямо пропор­ционально силе тока.

Ток в сварочной дуге обусловлен в основном упорядоченным движением сво­бодных электронов. За положительное направление тока в дуге, как это при­нято в физике и электротехнике, прини­мают перемещение частиц, несущих положительный заряд, равный по абсо­лютной величине заряду электрона. По­ложительное направление тока противо­положно направлению свободных элек­тронов, движущихся между изделием и торцом электродной проволоки под дейст­вием сил электрического поля.

Области дуги, в которых температура столба дуги снижается до температуры расплавленного или нагретого металла, называют приэлектродными областями дуги. В них протекают про­цессы, резко отличающиеся от процессов в столбе дуги.

Энергия, выделяющаяся в этих облас­тях, расходуется на плавление металла изделия и плавящегося электрода или на плавление металла и нагрев вольфрамо­вого электрода. В приэлектродных облас­тях скапливаются заряженные частицы и возникают пространственные (объем­ные) заряды. В катодной области скап­ливаются положительные ионы, а в анод­ной — электроны. В связи с этим в при­электродных областях создаются условия для резкого возрастания напряженности электрического поля. Напряженность в при­электродных областях порядка (1—2) х 106 В/см (в столбе дуги 10—35 В/см).

При горении дуги в катодной области возникает положительный объемный за­ряд и растет напряженность электри­ческого поля у катода. Эмиссия электро­нов возникает в первую очередь с тех мест поверхности катода, где работа выхода электронов меньше. Эти места называют активными пятнами.

Активное пятно на катоде (катодное пятно) непрерывно перемещается (блуж­дает) по поверхности его торца. Пере­мещение катодного пятна вызывает про­странственное изменение расположения столба дуги, так как оно является ос­нованием дуги. Падение напряжения в катодной области обычно преобладает в общем напряжении дуги, а его величина зависит от конкретных физических условий. Мощность, выделяемая в катодной области, расходуется на нагрев и плавление электрода, т. е. непосредственно на процесс сварки. Часть теплоты, приобретенной катодом, уходит в его массу путем теплоотдачи.

В анодной области при горении дуги создается отрицательный объемный заряд. Электроны, поступающие из столба дуги в анодную область, нейтрализуются у поверхности анода, отдают энергию при воссоздании нейтральных атомов вещества анода и вызывают увеличение его температуры. Кроме того, часть электронов задерживается в пространственном заряде. Так как максимальная температура анода не может превышать температуру кипения материала анода, которая меньше температуры столба дуги, то из столба идет интенсивный теплоотвод в сторону анода. В анодной области ионизация практически не происходит. Величина анодного падения напряжения практически не зависит от сварочного тока. Для дуг с плавящимся электродом анодное падение напряжения равно 2,5 ± 1 В. Мощность, выделяемая в анодной области при прямой полярности, расходуется на плавление металла анода.