Зварювальний дуга являє собою тривалий потужний електричний розряд, що відбувається при тиску, близькому до атмосферного в газовому проміжку між двома електродами, що знаходяться під напругою. Якщо одним з електродів є зварюваний метал, то така дуга називається дугою прямої дії (рис. 25, а). Якщо дуга горить між двома окремими електродами (вугільними або вольфрамовими), то це дуга кіс венного дії (рис. 25,6). У техніці зварювання найбільше застосування має дуга прямої дії, що забезпечує більш глибоке проплавлення металу і краще використання тепла дуги.
Дуга комбінованої дії (рис. 25, в) включається в ланцюг трифазного струму і горить одночасно як між двома електродами, так і між кожним з електродів і зварюваних металом. У цьому випадку кількість тепла, що виділяється збільшується і продуктивність зварювання зростає. Такий спосіб отримав назву зварювання (наплавлення) трифазної дугою.
Стовп дуги утворює плазму - особливий стан речовини, при якому воно складається з суміші електронів, позитивних і негативних іонів і нейтральних атомів, і знаходиться при дуже високих температурах. Електричний стовп дуги нейтральний, так як в ньому суми негативних і позитивних зарядів частинок рівні.
Зона найбільш високих температур, що досягають 5500- 7800 ° С, знаходиться в середині стовпа дуги. Чим вище щільність струму в дузі, тим вище температура стовпа. Зовні стовп оточений ореолом полум'я з нагрітих парів і газів, що мають більш низьку температуру.
Щільності струму в електроді можуть значно коливатися в залежності від способу зварювання і складають приблизно, а / мм 2:
Гази і пари при звичайних фізичних умовах є електрично нейтральними речовинами і майже не проводять струм. Електричний струм починає проходити через газ тільки при наявності в ньому частинок, несучих електричні заряди: електронів, позитивних іонів, негативних іонів. Такий газ називається іонізованим. Чим більше електронів та іонів рухається в газі, тим вище іонізація газу і його електропровідність. Електрично заряджені частинки речовини є переносниками електричної енергії в середовищі іонізованого газу. Іонізується дугового проміжок в основному вільними електронами, що викидаються катодом, які при зіткненні з атомами і молекулами газу вибивають з них електрони, перетворюючи частки в позитивні або негативні іони, здатні проводити електричний струм.
Схематично процес іонізації газу електронами показаний на рис. 27. Уявімо, що з поверхні катода починають вилітати вільні електрони (див. Рис. 27). Це явище носить назву емісії електронів. Під дією електричного поля в катодній області рух сильно прискорюється. При зіткненні з нейтральними атомами газу електрони, володіючи великою енергією руху, вибивають з оболонки більш важкого і тому менш рухомого атома один або кілька електронів.
Ці електрони вже з меншою швидкістю рухаються до позитивно зарядженого анода під дією його електричного поля. Атом же з вибитими з його оболонки електронами, що втратив частину негативного електрики, стає позитивним іоном, який спрямовується до негативно зарядженого катода. При ударі об поверхню катода позитивний іон вибиває з нього електрони: частина з них він захоплює, перетворюючись знову в нейтральний атом, а частина електронів через стовп дуги спрямовується до анода. Негативні іони утворюються з нейтральних атомів при захопленні ними вільних електронів. Так як негативні іони здатні утворювати не всі хімічні елементи, то в іонізованих газах негативних іонів міститься менше, ніж позитивних. Описаний процес утворення електрично заряджених частинок в середовищі газів і парів називається об'ємною іонізацією.
У дузі також відбувається утворення і нейтральних атомів з позитивних і негативних іонів або з позитивних іонів і електронів. Це явище носить назву рекомбінації. Внаслідок цього процесу утворення і зникнення заряджених частинок в газі при даній температурі може взаємно врівноважуватися і ступінь іонізації нагрітого газу залишається постійною при існуючих умовах горіння дуги.
Ступенем іонізації називається відношення кількості заряджених частинок в даному обсязі газу до загальної кількості частинок до іонізації.
Потенціалом іонізації називається кількість енергії, який необхідно витратити для повного видалення одного електрона з оболонки атома даної речовини.
Різні елементи мають різні потенціалами іонізації. Потенціал іонізації атомів калію приблизно в 3,4 рази, натрію в 2,8 рази і кальцію в 2,4 рази нижче, ніж потенціал іонізації атомів азоту і кисню. Цим пояснюється сприятливу дію калію, натрію і кальцію на стійкість горіння дуги, внаслідок чого ці речовини завжди вводять в склади електродних покриттів і флюси.
Іонізація газу і виникнення в ньому потужного дугового розряду є дуже складними фізичними процесами, що залежать від багатьох факторів і умов. Дослідженнями електричної зварювальної дуги встановлено, що викидання (емісія) з поверхні електрода (катода) вільних електронів відбувається в результаті:
1) автоелектронної емісії, спричиненої дією силового електричного поля, відриває електрони від поверхні катода;
2) емісії від ударів важких позитивних іонів об поверхню катода;
3) термоелектронної емісії, спричиненої високою температурою нагріву катода, при якій електрони здатні відриватися від його поверхні;
4) фотоелектронній емісії, спричиненої дією світлових променів дуги на поверхню катода.
Основними джерелами потужного потоку електронів, що забезпечують стійке горіння дуги, є автоелектронна емісія і емісія від ударів іонів об поверхню катода.
Залежно від способу зварювання, що застосовуються електродів і середовища, в якій відбувається горіння дуги, використовуються різні види зварювальних дуг, наприклад:
1. Дуга між плавиться металевим електродом з відповідним покриттям і зварюваних металом. Стійко горить при відповідному покритті на постійному і на змінному струмі. Широко застосовується при зварюванні багатьох металів.
2. Дуга між плавиться металевим електродом і зварюваних металом, палаюча під шаром флюсу. Стійка при постійному і змінному струмі. Широко використовується при напівавтоматичного і автоматичної зварюванні під флюсом.
3. Дуга між плавиться або плавиться і зварюваних металом, палаюча в середовищі захисних газів (аргоні, гелії, вуглекислому газі, водні, азоті та ін.). Широко використовується при зварюванні різних металів, а також при плазмово-дугового різання.
4. Дуга між вугільним або графітовим електродом і зварюваних металом. Горить стійко тільки при постійному струмі понад 5 а прямоїполярності. Застосовується при повітряно-дугового різання, при зварюванні - рідко.
5. Дуга між сталевим електродом, що плавиться і зварюваних металом, палаюча в воді. Вимагає кілька підвищеної напруги запалювання і горіння в порівнянні з дугою, що горить на повітрі. Застосовується при підводного зварювання та різання.
6. Дуга між плавиться і зварюваних металом, палаюча на змінному струмі підвищеної частоти (300-500 гц). Застосовується при зварюванні металу малої товщини струмом невеликої величини. Підвищена частота струму забезпечує стійке горіння дуги в цих умовах.
8. Дуга між двома плавкими електродами і зварюваних металом на змінному струмі, включеними за схемою трифазної зварювання. Застосовується при зварюванні і наплавленні.
9. Дуга побічної дії змінного струму між двома плавляться (вольфрамовим) електродами. Вимагає підвищеної напруги: при запалюванні - до 300 в, горінні - до 100 в. Ця дуга застосовується при способі атомно-водневої зварювання.
Всі перераховані різновиди дуг вимагають джерел живлення струмом, характеристики яких повинні відповідати властивостям даної зварювальної дуги і забезпечувати легке збудження і стійке горіння дуги при зварюванні або різанні.