Таким образом, формирование жидкого металла на весу при сварке неповоротных стыков труб связано с обеспечением определенного направления кривизны поверхности ванны с таким расчетом, чтобы сила поверхностного натяжения, вызванная этой кривизной, была направлена на удерживание расплавленного металла в корне шва во всех пространственных положениях, занимаемых сварочной ванной.

Данные выводы подтверждаются экспериментами по сварке стыков труб из стали 12МХ диаметром 250—300 мм с толщиной стенки 28 мм. Необходимое направление кривизны ванны обеспечивалось специальной разделкой кромок и использованием присадочных колец, закладываемых между свариваемыми кромками. Цель применения этих колец — создание дополнительного расплавленного металла при сварке нижней половины стыка и обеспечение тем самым кривизны, направленной вогнутостью к центру кольцевого шва.

При расплавлении присадочного кольца и кромок разделки в самой верхней части стыка труб расплавленный металл под действием силы тяжести и давления сварочной дуги провисает внутрь трубы, создавая кривизну, обеспечивающую равновесие жидкого мегалла.

По мере приближения в процессе сварки к вертикальному положению выпуклость с внутренней стороны стыка уменьшается вследствие того, что расплавленный металл частично поддерживается нижней твердой кромкой стыка. В вертикальном положении кривизна жидкого металла с внутренней стороны должна быть несколько больше по сравнению с кривизной со стороны дуги в этом же сечении, так как с внешней стороны давит сварочная дуга, способствуя образованию усиления на внутренней стороне шва.

При сварке нижней половины стыка труб расплавленный металл под действием силы тяжести начинает провисать со стороны дуги и образовывать кривизну, направленную вогнутостью к центру кольцевого шва.

В потолочном положении жидкий металл с наружной стороны трубопровода получает наибольшее усиление, а с внутренней — наименьшее, так как сила тяжести расплавленного металла в этом положении уравновешивается полностью силами поверхностного натяжения.

Давление сварочной дуги как фактор, противодействующий силе тяжести ванны, рассматривать в этом случае не следует, во-первых, потому что кристаллизация расплавленного металла происходит в момент, когда на него не действует дуга, во-вторых, любое случайное отклонение дуги, если на это давление рассчитывать, может привести к вытеканию ванны.

Таким образом, для потолочного положения можно допустить

■Р-г.м = Рат[в)-(3.29)

Это позволяет рассчитать, какая кривизна должна быть придана сварочной ванне в потолочном положении, чтобы уравновесить определенный слой жидкого металла при условии, что внутренняя поверхность ванны сохраняется плоской. Из формулы (3.29) следует

уцН = 2осо&Ъ'1Ьу, . чмц (3 30)

где 9' — угол, дополняющий краевой угол смачивания до 90° с нижней стороны сварочной ванны. Приняв ширину проплавления Ьу = = 6 мм для формирования слоя толщиной 4 мм, степень кривизны определяем

cos6' = УА = 7'3-9280 ;^-0-6 = 0,74; 6' = 42°; 0 = 90 -0' = 48°.

Жидкий металл может формироваться на весу до значения 0 = 90°.

В каждом конкретном случае по значению краевых углов и ширине проплавления определяется площадь поперечного сечения провисания металла в процессе сварки. Эта площадь должна быть равна сумме площадей поперечных сечений кромок присадочного кольца, выступающих сверх притупления (внутрь кольцевого соединения и с внешней стороны).

6. Сварка в космосе

Как отмечено Б. Е. Патоном [1961, практическая реализация многих замыслов в области космонавтики невозможна без широкого применения сварки металлов непосредственно в космосе. Ремонтно-восста-новительные и монтажные работы, которые неизбежны при эксплуатации космических станций долговременного действия, потребуют проведения работ по сварке, резке и пайке материалов. Однако условия в космосе существенно отличаются от земных. Наличие закуума, невесомости, перепада температур и т. д. окажут заметное влияние на физико-химические процессы, протекающие при сварке. Например, в земных условиях массовые силы играют важную, а порой и преобладающую роль во многих процессах, протекающих при сварке. Гравитационные силы, которые имеют значительный радиус действия, в условиях космоса не исчезают полностью. В этом случае действует так называемая самогравитация, которая представляет собой силы гравитационного взаимодействия с элементами конструкции космического аппарата и его содержимым.

Для того чтобы установить влияние этих сил по сравнению с поверхностными силами, приравняем ускорения аа = «о, возникающие в жидкости под действием соответствующих сил. Тогда итж//?2 = ог/4у/?2, или

-|~яуС/? = о/4уЯ\(3.31)

где у, тж— плотность и масса расплава; С —гравитационная постоянная. Из выражения (3.31) Я = \^о/160у2.

Для расплавленной стали можно принять у = 7000 кг/м3, а о — = 1200 мН/м. В этом случае силы самогравитации сравнимы с поверхностными силами только для шара расплавленного металла радиусом 2,83 м. Поскольку размеры сварочной ванны, электродных капель гораздо меньше, то в условиях космоса влияние силы самогравитации на сварочные процессы гораздо меньше, чем влияние поверхностных сил.

113