Решая систему уравнений ((2.8) — (2.10)), можно расчетным гьтем «определить высоту выпуклости С и угол перехода фв от основного металла к направленному при известных зничениях f0 и Ь0. Последние определяются расчетным путем по заданному режиму сварки. Необходимо отметить, что угол фк не равен [344] краевому углу смачивания, как'указано в работе [181.

Расчетные зависимости ((2.8) —(2.10)) получены в предположении, ■что выпуклость шва формируется в хвостовой части сварочной ванны и давление дуги оказывает несущественное влияние на ее форму. Однако в ряде случаев, например, при сварке теплопроводных металлов маломощной дугой, сварочная ванна может иметь небольшую длину. В этом случае давлением дуги нельзя пренебречь.

Достоинством модели, предложенной в работе [18], является возможность использования ее для расчета формы и размеров валиков для различных типов сварных соединений. Так, при сварке в щелевую разделку форма мениска в зазоре описывается [193] той же системой уравнений, что и в случае формирования усиления при сварке стыковых швов, только для определения f0 используют выражение

h = ± (Рн - BLyal(2.11)

где Рн — площадь поперечного сечения наплавленного металла; L = Уди[песуТпл — ß2/4 {qn — погонная энергия; с — удельная объемная теплоемкость). При этом знак плюс берется для выпуклого мениска, а знак минус — для вогнутого.

Влияние поверхностных свойств металла на формирование усиления сварного шва при сварке в нижнем положении подтверждается и данными других авторов [171, 320, 323]. Существенное влияние на формирование валика оказывает [511 и поверхностное натяжение шлака.

Роль поверхностных сил в формировании валика сварного шва увеличивается при сварке или наплавке в вертикальном, горизонтальном и особенно потолочном положениях. Это связано с изменением соотношения сил, действующих на металл сварочной ванны. Так, при сварке горизонтальных швов на вертикальной плоскости на металл сварочной ванны действуют прежде всего силы тяжести и поверхностные силы. Силы механического воздействия дуги на поверхность хвостовой части сварочной ванны, где происходит формирование валика, относительно невелики, и поэтому их влиянием можно пренебречь. Особенностью формирования горизонтальных швов является частое образование в верхней части шва подреза, а в нижней части — наплыва (рис. 28).

Рассматривая в равновесии сварочную ванну под действием сил тяжести и поверхностного натяжения и пренебрегая силой давления дуги и перемещением металла в сварочной ванне, авторы работы [247] получили зависимость

2max = — Yß3/18o УЗ.(2.12)

Видно, что для уменьшения высоты наплыва необходимо снизить шщ

рину сварного шва В и повысить поверхностное натяжение металла сварочной ванны Аналогичные результаты по влиянию поверхностных свойств металла и ширины сварного шва на образование наплывов при выполнении горизонтальных швов получены вариационно-энергетическим методом в работе [21].

Роль сил поверхностного натяжения на формирование сварного шва при сварке в потолочном положении отмечено в [20, 309, 193. В работе [20]. при тех же допущениях [18], получены уравнения, позволяющие определить основные размеры ВЫ- Х\ пуклости шва:

Ь0=2(

.1/4-2(1 —cos 4V); 4/]/~*o — 2(1 — со-ф) с?ф;

fo= Мс—*o) + 2sincpb,

что и в уравнениях

Рис. 28. Схема формирования горизонтального сварного шва на вертикальной плоскости.

где обозначения те ((2.8) - (2.10)).

Отличительной особенностью сварных м вов, полученных при сварке в потолочном положении, является то, что при достижении сварочной ванной определенных размеров силы тяжести не могут компенсироваться силами поверхностного натяжения. В этом случае происходит вытекание металла из сварочной ванны. Как показали эксперименты [309], вытекание металла из сварочной ванны происходит в ее хвостовой части. Это связано с тем, чтоб головной части сварочной ванны металл помимо сил поверхностного натяжения удерживается еще и силами давления дуги. Расчеты свидетельствуют о том [309], что при сварочном токе 220—230 А примерно 50 % расплавленного металла сварочной ванны удерживается силами поверхностного натяжения. В связи с этим для удержания металла сварочной ванны обычно прибегают [158] к различным технологическим приемам, которые усложняют процесс сварки и повышают ее стоимость.

Согласно [201, Существует Предельная ширина ВЫПУКЛОСТИ Bmaxt

превышение которой делает невозможным свободное формирование шва при любой площади наплавленного металла F„. Аналогично существует и предельная площадь выпуклости F„a% причем и Втах, и F™"* зависят только от капиллярных свойств жидкого металла. Нарушение формирования сварного шва может произойти и при выполнении условия устойчивости межфазной поверхности, если из-за чрезмерной глубины проплавления гидростатические силы не уравновешиваются силами поверхностного натяжения.

Нормальное формирование шва при сварке в потолочном положении происходит в том случае, если вытопняется неравенство [20] Яш + С ^ al/R0, где Нс—средняя глубина сварочной ванны в