Значения краевых углов смачивания 0 в каждом конкретном случае определялись по фотоснимкам поперечных сечений формирований с пятикратным увеличением образцов, что, конечно, вносило определенную ошибку, так как угол б менялся в процессе кристаллизации.

По отношению ширины проплавления Ьу к глубине мениска (см. рис. 45, в) находится центральный угол а. а по центральному углу — краевой угол смачивания 6.

Экспериментальное определение поверхностного натяжения проводилось на сталях 1Х18Н9Т и 12МХ, для чего на пластинах из указанных сталей размером 300x200x10 мм выполнялись фаски с углом раскрытия 70—80° и притуплением 2—3 мм.

Пластины расплавлялись по разделке вольфрамовым электродом диаметром 3 мм. В качестве защитных газов применялись технический аргон и гелий высокой чистоты для стали 1Х18Н9Т и смесь химически чистого аргона с С02 — для стали 12ХМ

Экспериментальные коэффициенты поверхностного натяжения для стали 1Х18Н9Т, расплавленной сварочной дугой, не постоянны, а изменяются в зависимости от защитной атмосферы, так как коэффициенты поверхностного натяжения, полученные в атмосфере технического аргона, колеблются в пределах 1320—1600 мДж/м2, а в атмосфере гелия высокой чистоты — 700—920 мДж/м2.

Несмотря на более тонкий слой, формируемый в атмосфере гелия, жидкий металл в этом случае провисает больше, чем в атмосфере аргона, при приблизительно одинаковых величинах кривизны поверхности сварочной ванны. Повышенное значение коэффициента поверхностного натяжения, полученного в атмосфере технического аргона, вероятно, можно объяснить влиянием содержащегося в техническом аргоне азота.

По значению коэффициента поверхностного натяжения можно из формулы (3.21) определить величину поверхностного натяжения, действующего на поверхности жидкой ванны, а также толщину слоя расплавленного металла, который может формироваться на весу, будучи уравновешенным указанной силой, т. е.

Рат(в, = 2°Г6 У8Н-3-26

где Н —толщина слоя расплавленной стали, откуда допустимая толщина формируемого слоя

Я = 2о соб 6/ЬУ7£.(3.27)

Расчеты по приведенной формуле могут быть особо эффективны в тех ответственных случаях, когда требуется гарантированное про-плавление по толщине стыкуемых кромок притупления, а применение средств, препятствующих протеканию жидкого металла, затруднено или вовсе исключается. К подобным конструкциям относятся стыковые соединения толстостенных трубопроводов высокого давления [291].

Особенность формирования на весу первого слоя кольцевых швов при сварке в нижнем положении поворотных стыков труб состоит в том, что сварочная ванна, кроме рассмотренных выше форм, принима-

ет кривизну по длине согласно радиусу кольцевого шва. Эта дополнительная кривизна жидких поверхностей направлена к центру кольца,, и, следовательно, силы поверхностного натяжения, возникающие на этих поверхностях, складываются с силой тяжести расплавленного металла и давлением дуги (рис. 46). Численное значение этого дополнительного давления для каждого радиуса кольцевого шва может быть определено по формуле

Р« = (о + ои)/г,(3.28)

где Рк —■ давление, связанное с поверхностным натяжением, обусловленным кривизной кольца радиусом гк.ш; ° и он — коэффициенты поверхностного натяжения соответственно со стороны сварочной дуги и с обратной стороны; гк.ш — радиус кольцевого шва.

Ниже приведены значения Рк для нержавеющей стали 1Х18Н9Т в зависимости от радиуса кольцевого шва. Коэффициенты поверхностного натяжения при расчете приняты о = он = 1450 мН/м:

Радиус кольцевого шва, м0,02 0,03 0,05 0,10 0,15

Давление, обусловленное поверхностным натяжением Рк, мН/м14,50 9,60 5,80 2,90 1,90

Давление Рк имеет существен-(

ную величину только при выполнении кольцевых швов малых диаметров (80—100 мм).

Изучение "влияния сил поверхностного натяжения на формирование швов на весу при сварке плоских кромок и поворотных стыков трубопроводов позволило рассмотреть вопрос [291] о возможности сварки неповоротных стыков труб без подкладных колец С обеспечением качест- Рис. 46. Схема кривизны по длине сварочной? венного формирования перво- ванны, вызывающей дополнительную силу Рк. го слоя шва во всех пространственных положениях. В этом случае направления силы тяжести расплавленного металла и давления сварочной дуги не постоянны по отношению к центру кольцевого шва, а зависят от положения сварочной ванны. Сила поверхностного натяжения направлена в сторону вогнутости поверхности жидкого металла, следовательно, при сварке по обычной У-образной разделке кромок только в нижнем положении сила поверхностного натяжения уравновешивает силу тяжести ванны и давление дуги. В вертикальном положении кривизна, направленная вогнутостью от центра кольца, вызывает силы, оттягивающие жидкий металл от внутренней поверхности трубопровода. В потолочном положении силы поверхностного натяжения складываются в этом случае с силой тяжести металла ванны и способствуют его провисанию и образованию изъяна с внутренней стороны трубного стыка.