* Влияние поверхностных свойств электродного и основного металлов на размеры зоны проплавления, по-видимому, определяется двумя факторами. Во- первых, изменение поверхностного натяжения электродного металла приводит к изменению размеров капель и вида переноса. Это, согласно данным [207, 338], оказывает существенное влияние на размеры зоны проплавления. Во вторых, как уже указывалось, размеры зоны проплавления зависят от наличия участков в сварочной ванне, имеющих различное поверхностное натяжение.

Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о том, что при разработке технологии сварки необходимо учитывать поверхностные свойства основного и электродного металлов с целью обеспечения необходимых размеров и формы зоны проплавления.

3. Формирование валика и корня шва

Форма и размеры выпуклости сварного шва. а также плавность перехода от основного металла к наплавленному оказывают существенное влияние на работоспособность сварного соединения. Роль данных факторов особенно велика при изготовлении ответственных конструкций, работающих при переменных и динамических нагрузках.

Вопросы формирования стыковых швов и разработки методов расчета их размеров в зависимости от режимов сварки рассмотрены в работах Б. Е. Патона, А. И. Акулова, Г. А Бельчука, А. А. Ерохина, В. И. Демянцевича, а также других отечественных и зарубежных исследователей. Эти работы показали, что форма и размеры выпуклости сварного шва в значительной мере определяются режимом сварки и теплофизическими характеристиками свариваемого металла. Однако наряду с этими факторами на процесс формирования валика сварного шва оказывают влияние и силы поверхностного натяжения. Одним из первых, кто обратил внимание на влияние поверхностного натяжения металла на формирование валика сварного шва, был Г. 3. Волошкевич [59], который показал, что форма и размеры выпуклости зависят от величины капиллярной постоянной межфазной поверхности

ak = Vo/gAy,

где Ау — разность плотностей контактирующих фаз.

Согласно [59] профиль поверхности валика описывается уравнением, связывающем кривизну профиля шва с поверхностным натяжением металла шва и гидростатическим давлением а/г = gAz + С„ (г — радиус кривизны поверхности валика в рассматриваемой точке; z — координата рассматриваемой точки; С0 — постоянная, зависящая от выбора начала координат). Для случая, когда начало координат совпадает с наивысшей точкой кривизны поверхности С0 = o/R0y где R0 — радиус кривизны поверхности в этой точке.

Решение данного уравнения методами графического интегрирования [263] показало удовлетворительное совпадение теоретической и

действительной формы наплавленного валика. Однако реальные условия формирования сварного шва из-за проплавления дугой основного металла отличаются от условий растекания жидкой капли по твердой поверхности. Это затрудняет применение метода графического интегрирования для исследования влияния различных факторов на форму и размеры валика.

Необходимо отметить, что данное и последующие уравнения получены для условия термодинамического равновесия при постоянной температуре. Действительно, для сварочной ванны, в том числе и хвостовой ее части, характерна значительная неравномерность в распределении температуры, что может повлиять на форму и размеры усиления сварного шва.

Представляя поверхность расплавленного металла сварочной ванны в районе фронта кристаллизации как цилиндрическую и считая, что валик формируется только под действием сил тяжести и поверхностного натяжения, получено уравнение [96], описывающее профиль поперечного сечения усиления шва

x'¿/2aK 4- xlRo ■ 3 ]/l-(x2/2^ г X/Ri — О2

где В — ширина валика при данном /г; h — расстояние от верхней точки профиля до горизонтальной плоскости; х — координата высоты какой-либо точки профиля валика; R0 — радиус кривизны поверхности валика в наивысшей точке.

И. Л. Емельяновым предложена также методика определения формы и размеров наплавленного валика с учетом как поверхностных свойств металла, так и режимов сварки (величины сварочного тока,, напряжения на дуге, скорости сварки и т. д.). Однако в работах 159,. 96] использованы приближенные методы графического интегрирования уравнения капилярности, что существенно затрудняет изучение-процесса формирования выпуклости шва, особенно при сварке в различных пространственных положениях. Тем не менее в этих работах показана хорошая сходимость расчетной и действительной форм выпуклости сварного шва.

Расчетные уравнения, позволяющие определить основные геометрические параметры выпуклости шва, получены в работе [18]. Для сварки стыковых швов в нижнем положении эти уравнения имеют вид.

С = У 4 + 2(1-cos Фк) - г0;(2.8)

Ь0 = 2 J cos фкЛр/ У zl + 2 (1 — cos фк);(2.9).

f0 = MC + z0) —2sinPK.(2.Ю)

Здесь С —безразмерное усиление шва, С = cla^; z0 —безразмерное-расстояние от вершины усиления до начала координат; z0 = a^lR^ b0 — безразмерная ширина усиления, b0 = В1аК — безразмерная, площадь усиления; /„ = FJa^.