металл — газ или шлак) является краевой угол 8 смачивания, который в случае наплавки в газовой среде и при условии весьма малой глубины проплавления (см. рис. 13) определяется выражением

Поскольку величина адгезии между твердым и жидким металлами, согласно уравнению Дюпре, равна Wa = сгт_г + + см_г — сх_ж, соотношение (II.6) можно привести к виду

cos 6 =—---1.(II.7)

Из формулы (11.7) видно, что краевой угол 0, а следовательно, и форма наплавленного валика зависят от величины адгезии расплавленного металла к твердому и от величины поверхностного натяжения жидкого металла. При этом пока Wa ом-г, cos 6 0, т. е. смачивание твердого металла расплавленным будет хорошим, а угол 6 ; я/2. Кроме того, от величины краевого угла смачивания зависит и минимально возможная толщина наплавляемого металла.

Для определения степени влияния отдельных факторов на процесс формирования наплавленного слоя рассмотрим процесс растекания капли расплава по твердому металлу. При этом общее изменение поверхностной энергии системы на единицу поверхности Да = см_г + ат_ж — ат_г. При растекании капли, имеющей форму круга с радиусом г, поверхностная энергия возрастет на величину 2nrAodr, а потенциальная гравитационная энергия при условии, что центр тяжести расположен на половине высоты, уменьшится на величину -g- VKpMgdbK (где VK — объем капли; рм — плотность

расплава; g—ускорение свободного падения; 6К—высота капли).

Для большой капли малой высоты можно принять, что

VK да пг2бк. Тогда 4-^ = —2-^-, и условие равновесия окл

процесса растекания запишется следующим образом:

пг2Дст Лр2- 4" яг26рРм А. где бр — равновесное значение толщины капли.

Отсюда минимально возможная толщина наплавленного слоя бр = (^^J U или с учетом уравнения (II.6)

= Г 2ом_г(1-с056) у/,

(II.8)

OA

Рис.

— cos 6)

60 120 0, град

Зависимость (1 — от величины угла 6.

Из уравнения (II.8) следует, что величина 6р сравнительно мало зависит от см_г и рм, так как они входят в уравнение в степени V2- Очевидно, толщина наплавленного слоя будет, в основном, определяться величиной краевого угла смачивания наплавляемой поверхности расплавом, поскольку (1 — cos 6)Vs до значений углов 0 = 120° почти линейно зависит от величины 6 (рис. 14).

Зависимость формы сварного шва и наплавленного валика от поверхностного и межфазного натяжений создает дополнительные возможности для изменения их конфигурации. Очевидно, что геометрические размеры сварного шва и наплавленного валика можно изменить не только введением в металл поверхностно-активных элементов, созданием определенной газовой атмосферы, но и применением определенных флюсов, изменением потенциала поверхности металла за счет внешней ЭДС, использованием предварительного подогрева деталей и так далее.

Связь поверхностных свойств металла и формы сварного шва подтверждается и экспериментами. В частности, в работе [108] было показано, что применение специально разработанных флюсов позволило увеличить глубину проплавления металла и обеспечить хорошее качество сварного соединения без повышения сварочного тока. Влияние компонентов покрытия и составляющих флюса на межфазное натяжение металла и форму наплавленного валика отмечено в работе [313]. При этом было обнаружено, что с уменьшением величины межфазного натяжения наплавленный валик получается более плоским. Влияние сил поверхностного натяжения на процесс формирования корня стыковых швов отмечено в [86, 124, 251].

И. Л. Емельяновым [83] установлена аналитическая зависимость между формой и размерами наплавленного валика и поверхностными свойствами металла. Так, профиль сечения наплавленного валика определяется из уравнения

2а2

3 3-2373