показана типичная статическая вольт-амперная характеристика электрической дуги [1] для сварочного электрода диаметром 3 мм (сечением приблизительно 7 мм2). На характеристике выделяют нисходящий (плотность тока в электроде — менее 12 А/мм2), горизонтальный и восходящий (плотность тока — более 80 А/мм2) участки. При сварке постоянным током точка пересечения этой кривой с нагрузочной характеристикой источника тока (кривая 2) должна находиться на горизонтальном участке. Напряжение Uд, падающее на дуге, в основном зависит от газового состава среды и очень слабо — от сварочного тока Iсв. С точностью, достаточной для практического применения, его вычисляют по эмпирической формуле Uд=Uг+0,05Icв, где Uг=18 В для воздуха, 14 В — для углекислого газа и 11 В — для смеси последнего с аргоном.

Если дуга включена в цепь переменного тока низкой (промышленной) частоты, рабочая точка непрерывно перемещается по нисходящему и горизонтальному участкам характеристики. Так как в конце каждого полупериода ток прекращается, дуга гаснет. Однако в следующем полупериоде, благодаря термоэмиссии электронов с не успевших остыть участков металла и сохраняющейся некоторое время остаточной ионизации газового промежутка, дуга возникает вновь, как только напряжение между электродами достигнет значения, называемого напряжением зажигания. Чтобы добиться устойчивого горения дуги переменного тока, необходимы определенные меры. Применяют, например, специальные электроды, в состав покрытия которых добавлены вещества с низким потенциалом ионизации.

Устойчивость дуги улучшается с повышением напряжения холостого хода сварочного источника (его измеряют при отключенной нагрузке). Однако этот параметр ограничен требованиями безопасности обслуживающего персонала и, согласно ГОСТ95-77Е, не должен превышать 80 В.

Общепринятый способ получить стабильную дугу при сравнительно низком напряжении холостого хода источника тока — включить последовательно в сварочную цепь индуктивное сопротивление. В результате возникает фазовый сдвиг между током и напряжением. Нулевому мгновенному значению тока, при котором дуга гаснет, соответствует максимум напряжения, вновь ее поджигающего. В этом случае достаточно источника с напряжением холостого хода 60...65В. К тому же изменением индуктивности можно регулировать сварочный ток.

Расплавленный электрической дугой металл электрода поступает каплями [2] в ванну жидкого металла, образующуюся на поверхности свариваемого изделия у основания дуги (это место обычно называют кратером). Процесс начинается с образования слоя расплавленного металла на конце электрода. По мере накопления металл собирается в каплю, которая, в конце концов, перемыкает дуговой промежуток. В этот момент происходит короткое замыкание сварочной цепи, сопровождаемое резким возрастанием тока.

Возникающие при этом электромагнитные силы разрывают каплю, а между ней и концом электрода возникает новая дуга. Капля с ускорением падает в кратер, причем часть металла в виде брызг выбрасывается из зоны сварки.

Причина появления вокруг шва излишне большого числа застывших капель металла, удалить которые удается лишь с помощью молотка и зубила, зачастую кроется в форме нагрузочной характеристики источника сварочного тока (зависимости его выходного напряжения от тока нагрузки). Для ручной сварки необходима такая характеристика, чтобы ток короткого замыкания Iкз превышал номинальный сварочный ток Iсв не более чем в два раза [3].

В отличие от ручной, полуавтоматическую сварку в среде защитного газа ведут с большей плотностью тока, соответствующей началу восходящего участка статической вольт-амперной характеристики дуги. Для саморегулирования сварочного процесса здесь требуется жесткая нагрузочная характеристика (кривая 3 на рис. 4).

При непрофессиональной ручной электросварке в основном применяют источники переменного тока. Это объясняется простотой и дешевизной последних, хотя качество сварного шва и уступает достижимому на постоянном токе. Еще 10—15 лет назад бытовые аппараты для электродуговой сварки промышленность практически не выпускала. Сейчас ситуация изменилась, на рынке представлено довольно много устройств, вполне подходящих по параметрам для бытового применения. Но их цена еще не по карману очень многим.

Поэтому самодеятельные конструкторы, как и прежде, пытаются изготовить это чудо техники своими руками. Многие из них, обладая некоторыми практическими навыками ручной сварки, не имеют никакого представления о требованиях, предъявляемых к источнику сварочного тока. В результате аппарат, сделанный "на глазок" из подручных материалов, не обеспечивает необходимого качества сварного шва и небезопасен в эксплуатации. Основной узел сварочного источника переменного тока — специальный, как правило, однофазный сварочный трансформатор. С его помощью понижают напряжение сети до необходимой для сварки величины и одновременно изолируют от сети сварочную цепь.

Используемая при расчетах эквивалентная схема трансформатора [4] показана на рис. 5.