кристаллизационных трещин при наличии этой среды в металле шва. Подобный метод оценки может быть использован и при сварке разнородных металлов, когда один из них имеет низкую температуру плав^ ления, например при сварке меди со сталью.

Проведенные эксперименты свидетельствуют также о том, что образование кристаллизационных трещин при наличии в металле шва легкоплавкой среды связано не с низкой прочностью этой среды, о чем, довольно часто говорится в литературе [68, 242], а с физико-химическим взаимодействием среды с металлом. Так, и сульфид железа, и бинарный сплав БЮ^ — №20 имеют близкие значения поверхностного

НаТЯЖеННЯ (при Т = 1373 К, Of.eS = 318 МДж/м2, О510г-Ыа2О =

= 324 мДж/м2), а значит, и близкую когезионную прочность. Однако влияние их на механические свойства металлов и образование кристаллизационных трещин резко различается вследствие разной смачиваемости металлов этими расплавами и неодинакового физико-химиче-, ского воздействия их на металлы.

Хорошей смачиваемостью низкоуглеродистых сталей расплавом меди (рис. 34, а) и снижением прочности и пластичности (рис. 34, б) стали, контактирующей с расплавленной медью, в какой-то мере объясняется образование кристаллизационных трещин и при сварке меди со сталью.

7. Гидродинамические процессы

' Из предыдущего материала видно, что гидродинамические процессы в сварочной ванне влияют на различные стороны сварочного процесса Так, с ними связаны проплавление металла, образование подрезов, пор, неметаллических включений и т. д. Однако до настоящего времени нет единого мнения о причинах возникновения в сварочной ванне потоков металла. Одни объясняют их появление механическим воздействием дуги [78, 1291, другие связывают конвекцию металлического расплава с электромагнитными силами [117, 3551, третьи — с различной величиной поверхностного натяжения металла в отдельных участках сварочной ванны [194, 322, 345].

Не отрицая влияния различных факторов на гидродинамические процессы в сварочной ванне, рассмотрим более подробно роль поверхностных явлений в перемешивании металла.

Разные авторы, используя разнообразные модели, получают раз-, личные данные о влиянии сил поверхностного натяжения на перемешивание металла в сварочной ванне. Согласно данным Г. Г. Чернышева с соавторами [307], влиянием поверхностного натяжения жидкости на ее движение можно пренебречь, если выполняется неравенство

о«Ум^2-(2.24)

где К — масштаб движения, который может быть принят равным дли-' не сварочной ванны. Из этого уравнения следует, что при К ^ Уо/у^ поверхностные силы не влияют на движение жидкости.

При однопроходной сварке стали толщиной Ю мм величина X близка к 10х-2 м, а У^о/ул — 4,5 • л-3 м. Следовательно, в этом случае,,

поскольку К на порядок больше Уо/у^, влиянием поверхностного натяжения на перемещение расплавленного металла, согласно [307], можно пренебречь. Только при сварке тонколистового металла, когдг Я « Ю~3 м, влияние поверхностного натяжения на движение металла станет заметным. Однако в реальных условиях сварки величина поверхностного натяжения металла сварочной ванны не является постоянной величиной, как принято в работе 1307]. Известно, что поверхностное натяжение расплавленного металла зависит от его температуры и содержания в нем поверхностно-активных элементов. Поскольку различные участки сварочной ванны имеют различную температуру и могут отличаться по содержанию поверхностно-активных элементов, эти участки будут иметь и разную величину поверхностного натяжения. Наличие значительного градиента поверхностного натяжения должно привести к перемещению поверхностных слоев металла, причем это перемещение при положительной кривизне поверхностного слоя ванны направлено от мест с большим поверхностным натяжением к местам с меньшим поверхностным натяжением. Если изменения поверхностного натяжения связаны с различной температурой поверхности сварочной ванны, возникнет так называемая термокапиллярная конвекция, возможность которой предсказана Марангони. Интенсивность данной конвекции определяется безразмерным параметром — числом Марангони

., до /.ДТ,п

Мп==^-^Г'(225

где а — коэффициент температуропроводности: Ь — характерный линейный размер.

Рассмотрим, как может повлиять распределение температуры по поверхности сварочной ванны на конвекцию расплавленного металла.

При дуговых способах сварки температура в зоне активного пятна дуги при небольшом токе (4—17 А) достигает на аноде 2600 К, а на катоде — 2400 К [5, 296]. При токе, характерном для сварочных процессов (100 А и более), температура в активных пятнах достигает температуры кипения металла [151, 2431. Вблизи границы сплавления температура близка к температуре плавления металла.

Известно [144], что поверхностное натяжение расплавленного металла становится равным нулю при критической температуре, определяемой по формуле Ткр = 1,7 7"кип (7\шп — температура кипения данного металла). Температура кипения железа, по различным данным' [315, 329], колеблется в пределах от 3043 до 3473 К. При линейной зависимости поверхностного натяжения расплава от температуры величину поверхностного натяжения при любой температуре можно найти из выражения от = а„ (Ткр — Т)/(ТК7, — Т0), где ст0 — поверхностное-натяжение металла при температуре Т0. Для температуры Т0 = Т пл~ = 1812 К величина о0 = 1800 мДж/м2 [2141; тогда в зоне активного пятна оз47зк = 1069 мДж/м2.

Поскольку размеры сварочной ванны невелики, градиент поверхностного натяжения, возникающий вследствие перепада температур, довольно заметен. Так, для сварочной ванны шириной 10 мм,.