Для ручной сварки применима только крутопадающая характеристика, жесткая и пологопадающая применяются при автоматической электросварке. Таким образом, из­готавливаемый сварочный трансформатор должен обладать крутопа­дающей внешней характеристикой - только тогда процесс сварки бу­дет происходить качественно. Дело здесь в том, что только при круто­падающей характеристике довольно-таки значительные колебания напряжения на дуге, как это видно на середине участка из графика, вызывают относительно небольшое изменение сварочного тока. А ведь величина напряжения на сварочной дуге в свою очередь зави­сит от длины дуги, которая поддерживается в процессе горения вруч­ную, потому не может быть стабильной. Вот почему только при кру­топадающей характеристике трансформатора колебания кончика электрода в руках сварщика будут не сильно сказываться на стабиль­ности горения дуги и качестве наплавки. Чтобы в полной мере понять этот процесс, полезно также более подробно рассмотреть особенно­сти горения дуги и определить ее характеристики.

Характеристики сварочной дуги. Сварочная дуга представляет собой длительный электрический разряд между концом электрода и областью дуговой зоны металла изделия. Сварочная дуга характеризуется значительной плотностью тока и высокой температурой катодной области электрода, превы­шающей 3000 градусов, при относительно небольшом значении раз­ности потенциалов - 20...25 В. При зажигании дуги сначала проис­ходит пробой газового промежутка электронами, потом, в течение микросекунд, процесс стабилизируется и в дуговом промежутке, в результате ионизации электронами молекул газов, появляется также ионная проводимость. Кроме того, стабилизатором горения дуги является плавящаяся и испаряющаяся обмазка электродов.

При сварке плавящимся элек­тродом, под действием высокой температуры, на его конце происхо­дит плавление металла, образова­ние капли, ее отрыв от электрода и перенос на металл изделия. При ручной сварке в виде капель пере­носится до 95% электродного ме­талла, некоторая его часть превра­щается в пары и брызги (рис, 1.8). Диаметр капель и скорость их обра­зования зависят от силы тока, диа­метра электрода, длины дуги и ряда других условий. При сварке покры­тыми электродами большинство ка­пель окутано в оболочку из шлака, образующегося при плавлении покрытия, поэтому при прохождении они не замыкают дуговой промежуток. Однако короткое замыкание дугового промежутка некоторыми каплями все же происходит, что приводит к кратковременным падениям напряжения и скачкам сва­рочного тока. Для стабильности процесса горения дуги важна способ­ность трансформатора к быстрому восстановлению тока и напряже­ния. В сварочной дуге происходит нелинейное распределение темпе­ратуры и падение напряжения, зависящих от силы тока.

Статическая вольт-амперная характеристика дуги. Наибольший практический интерес при рассмотрении сварочной дуги для нас представляет ее статическая вольт-амперная характери­стика. Ни в коем случае не стоит путать вольт-амперные характери­стики источника питания (трансформатора) и дуги, так как они обу­словлены совершенно разными по сути физическими процессами. Статической вольт-амперной характеристикой дуги называют зави­симость падения напряжения на дуге от силы сварочного тока при постоянной длине дуги и прочих постоянных условиях горения дуги.

Вольт-амперные характеристики дуги снимаются в лаборатор­ных условиях, от специального источника с регулируемыми пара­метрами. Проведение данного эксперимента связано со значительны­ми трудностями из-за сложности измерения и поддержания длины дуги, а также поддержания неизменными других физических усло­вий. Трудности особенно усугубляются при проведении эксперимен­та с плавящимися электродами, длина дуги в процессе плавления ко­торых постоянно меняется, кроме того, происходит влияние на дугу капель переносимого расплавленного металла вплоть до замыкания в некоторых случаях этими каплями дугового промежутка. Однако эм­пирические результаты для такого рода дуг были давно получены и исследованы (рис. 1.9), их форма сохраняет свой вид и в случае руч­ной электросварки.

Статическую вольт-амперную характеристику дуги условно мож­но разделить на три участка: падающая - с ростом сварочного тока напряжение уменьшается (1); жесткая - с ростом тока напряжение остается практически неизменным (2); возрастающая - рост тока вызывает увеличение напряжения дуги (3). Зажигание дуги происхо­дит при напряжениях 40...50 В. По мере увеличения тока дуги на­пряжение на ней падает до 20...25 В, уменьшение напряжения пре­кращается при достижении тока 70...80 А. При дальнейшем росте тока напряжение дуги стабилизируется - именно этот участок луч­ше всего использовать для электросварки. При токах свыше 800 А напряжение дуги начинает расти, однако такие значения недостижи­мы для бытовой электросварки и потому для нас малоинтересны. По­ложение вольт-амперных характеристик различно для дуг различной длины. При увеличении длины дуги график вольт-амперной зависи­мости сдвигается вверх - в сторону возрастания напряжения (рис. 1.10). Так, вольт-амперная характеристика (L3) соответствует короткой дуге; зависимость (L1) - длинной дуге для того же элек­трода и источника питания.

При ручной электросварке, вследствие дрожания рук сварщика, неровностей поверхности и других причин, происходит неизбежное колебание кончика электрода и изменение длины дуги. Как нам те­перь известно, при изменении длины дуги меняет свое положение и вольт-амперная характеристика - изменяется протекающий через дуговой промежуток ток, соответственно, меняется ток трансформа­тора, что уже описывается внешней вольт-амперной характеристи­кой источника питания. Таким образом, в результате наложения свойств дуги и источника питания стабильное горение дуги возмож­но только в точке пересечения графиков статической вольт-амперной характеристики дуги и внешней характеристики источника пита­ния, то есть когда выходное напряжение источника соответствует напряжению дуги при определенной ее длине (рис. 1.11). Однако же длина дуги при ручной сварке постоянно меняется, а значит, меняет­ся и положение точки пересечения этих зависимостей.

Что же мы видим? На рис. 1.12 изображены две статические ха­рактеристики одной и той же дуги на разных длинах LI, L2 - колеба­ние длины дуги естественно при ручной сварке. Далее будем считать, что мы запитываем дугу от двух разных трансформаторов: с крутопа­дающей и пологопадающей внешней характеристикой. Графики со­ответствующих ВАХ трансформаторов изображены здесь же, и они пересекают кривые статических ВАХ дуги. Горение дуги возможно только в точках пересечения кривых внешних характеристик транс­форматоров со статическими кривыми дуги на длинах LI, L2. Теперь обратите внимание, как изменяется ток в точках горения в первом и во втором случае, при переходе дуги с длины L1 на длину L2. Так, в первом случае, для трансформатора с крутопадающей внешней характеристикой, изменение тока между крайними точками горения сварочной дуги соответствует значению ΔIкр.хар, которое относи­тельно небольшое. Во втором же случае, при тех же колебаниях дли­ны дуги, но уже в точках горения дуги для трансформатора с полого-падающей характеристикой, мы видим значительную разницу в изме­нении сварочного тока - ΔIпол.хар.

Выводы очевидны: стабильное горение дуги и высокое качество сварного шва возможны только при минимальных колебаниях рабо­чего тока, что может обеспечить только источник с крутопадающей внешней характеристикой.