В космосе расплавы подвержены малым ускорениям, которые возникают вследствие одновременного воздействия следующих основных сил [2791: гравитационного градиента Земли, разряжений атмосферы, центростремительной силы, возникающей при вращении летательного аппарата, гравитационной массы летательного аппарата, давления солнечного ветра, гравитационных градиентов, возникающих от движения Луны, ускорения, возникающего при включении двигателей и перемещении космонавтов, вибрации на борту от работающих приборов, упругих деформаций от нестационарных тепловых потоков; воздействия электромагнитных сил.

Изменение ускорения свободного падения приводит к изменению массовых и поверхностных сил, что видно из определения числа Бонда

Во = уй^/а,(3.32)

где й — характерный размер. Из этой формулы следует, что в обычных земных условиях заметное проявление поверхностных сил наблюдается только при малых значениях й.

Согласно работе [239], гравитационные силы преобладают над силами поверхностного натяжения, если число Во ^ 100. При Во^ 1 преобладают силы поверхностного натяжения. Число Во 1 при низких значениях ускорения свободного падения. В условиях космоса гравитация вследствие причин, указанных выше, не исчезает полностью, так как ускорение свободного падения равно 10—3—Ю-5 величины ускорения свободного падения в земных условиях [15, 116]. Поэтому несомненно, что в условиях космоса силы поверхностного натяжения преобладают над массовыми и приобретают первостепенное значение. В связи с этим важно установить, как будут протекать рассмотренные выше процессы в условиях невесомости. Отметим попутно, что величина поверхностного натяжения, смачивание твердых тел расплавами, полученные в земных условиях, остаются такими и в космосе.

Прежде всего проанализируем, как повлияет наличие невесомости на перенос электродного металла. Как следует из выражения (1.18), снижение массовых сил должно привести к увеличению массы капли электродного металла и ее размеров. Это подтверждается данными [118, 196] по плавлению и переносу электродного металла в условиях микрогравитации. В этом случае при небольших значениях сварочного тока (40—50 А) время существования капли на торце электрода увеличилось в 15—20 раз и составило 4,5—6 с. Размеры капли в несколько раз превышали диаметр электрода, а перенос электродного металла происходил при контакте капли с поверхностью сварочной ванны из-за сил смачивания.

Согласно работе [118], основными силами, действующими на каплю электродного металла в условиях микрогравитации, являются силы поверхностного натяжения, реактивные и электромагнитные, причем только последние могут способствовать переносу электродного металла. Реактивные силы вследствие снижения плотности тока в активном пятне на электроде и устойчивости дугового разряда, наблюдающихся при росте размеров капли [196], очевидно, не оказывают

существенного влияния на перенос электродного металла. Основную роль играют силы поверхностного натяжения. Об этом, в частности, свидетельствует и форма капли, которая, как правило, является сферической.

Наличие невесомости влияет и на формирование сварного шва. Снижение устойчивости горения дуги и повышение роли сил поверхностного натяжения приводят к снижению глубины проплавления металла при сварке плавящимся электродом в космосе [196]. В случае полного проплавления металла при сварке неплавящимся электродом вследствие низкого значения величины Рг, и при условии пренебрежения силами давления дуги Рд равновесие сварочной ванны, что следует из выражения (2.4), определяется только силами гОзерхностного натяжения. Поэтому величины и к и К (см. рис. 21) в/дут малы.

Как отмечено в параграфе 3 гл. 2, формирование валика и корня шва связано с величиной капиллярной постоянной аК = У о g&y. Уменьшение величины ускорения свободного падения £, наблюдающееся в условиях космоса, приводит к росту величины аК и усилению роли капиллярных сил в формировании валика н корня шва. Очевидно, что при малых значениях ^ радиус кривизны поверхности валика зависит только от поверхностного натяжения металла сварочной ванны. Увеличение роли сил поверхностного натяжения в процессах формирования валика сварного шва в условиях микрогравитации следует и из анализа уравнений ((2.8) — (2.10)).

Снижение гравитационных сил должно привести к увеличению высоты усиления валика сварного шва. Это подтверждается и экспериментальными данными (рис. 47) [196].

При сварке в космосе существенно изменяются условия формирования сварных швов, выполняемых в горизонтальном и потолочном положениях. В этом случае снижается высота наплыва горизонтальных швов и практически устраняется опасность вытекания металла сварочной ванны при сварке потолочных швов даже при значительной ширине сварного шва.

В условиях микрогравитации вследствие роста величины ак хорошее формирование сварного шва в потолочном положении произойдет при повышенных значениях глубины сварочной ванны и высоты усиления, что вытекает из неравенства (3.31).

Снижение гравитационных сил уменьшает вероятность появления прожогов и дает возможность вести сварку при больших зазорах, не опасаясь вытекания металла сварочной ванны. По этой же причине условие образования кратера в сварном шве запишется следующим образом: Рд2о/гк. Следовательно, при сварке в космосе вероятность образования кратеров выше, чем при сварке в обычных условиях, вследствие отсутствия гидростатического давления.

Как отмечено выше, проплавление металла, образование подрезов, пор и неметаллических включений в значительной мере связаны с гидродинамическими процессами, протекающими в сварочной в^нне. Поэтому представляет интерес рассмотрение особенностей перемещения металла сварочной ванны в условиях невесомости и роли эффекта Ма-рангони в этом случае.

115